Brevet FR2578321A1 — publié le 19860905

CAPTEUR DE POSITION ET DE DEPLACEMENT, NOTAMMENT DE LA POSITION ET DU DEPLACEMENT D UN DOIGT HUMAIN, EN PAR TICULIER POUR REALISER UN ATTENUATEUR La présente invention concerne généralement les capteurs de position et/ou de déplacement. en particulier de tels capteurs aptes à réaliser un atténuateur du type potentiométrique. Elle concerne plus particulièrement un capteur de la position et/ou du déplacement d un doigt humain La technique connait des potentiométres et des diviseurs de tension comportant une résistance électrique fixe et un curseur apte a se déplacer le long de cette résistance et entrant en contact avec une zone variable de cette résistance. La présente invention a pour objet un capteur comportant une telle résistance. dans lequel le curseur est remplacé par un doigt humain. ou par un autre élé- ment mobile. apte à appuyer. en une position déterminée de ladite résistance une zone d un élément conducteur sensiblement parallèle à la résistance. de manière à réaliser un contact électrique. au niveau de la zone de pression, entre ladite résistance et ledit élément conducteur. L invention a donc pour objet un capteur de position et de déplacement caractérisé en ce qu il comprend : une bande conductrice établie sur une face d'un premier substrat isolant allongé; une bande résistive allongée établie sur une face d un second substrat isolant allongé, au moins un des deux substrats étant souple et ces deux substrats étant disposés en regard 1 un de 1 autre de manière-que la bande résistive se trouve en face de la bande conductrice, à une faible distance de celle-ci; une paire de conducteurs électriques ayant chacun une première extrémité connectée à une extrémité différente de la bande rèsistive: et un troisieme conducteur électrique ayant une première extrémité connectée à la bande conductrice. De préférence le substrat de la bande résistive est souple. tandis que le substrat de la bande conductrice est rigide. En particulier on peut appliquer le capteur précité pour réaliser un atténuateur dans lequel la différence de potentiel réduite est prélevée entre la seconde extrémité du troisième conducteur relié à la bande conductrice et la seconde extrémité d'un des conducteurs relié à une extrémité de la bande résistive, par rapport à la difference de potentiel. la différence de potentiel totale étant appliquée entre les secondes extrémités des deux conducteurs reliés aux extrémités de la bande résistive. On peut prévoir. dans un tel capteur. des moyens pour vérifier la qualité du contact local entre la bande résistive et la bande conductrice . du fait de la pression, au niveau de cette zone, d'un doigt ou d'un autre élément sur le substrat souple. On peut prévoir par ailleurs, connectés aux secondes extrémités des trois conducteurs. un ensemble électronique contrôlé par le capteur. avec éventuellement des moyens pour vérifier le bon contact local entre la bande résistive et la bande conductrice. L'invention pourra. de toute façon, etre bien comprise à l'aide du complément de description qui suit, ainsi que des dessins ci-annexés, lesquels complément et dessins sont, bien entendu, donnés surtout à titre d'indication. La figure t représente en perspective un capteur doté des perfectionnements selon l'invention. La figure 2 est une coupe par II-II de la figure 1. La figure 3 est une vue éclatée du capteur de la figure 1. La figure 4 représente le capteur de la figure 1 en fonctionnement, un doigt assurant un contact entre une zone de la- bande résistive avec la bande conductrice. La figure 5 est une coupe par V-V de la figure 4. La figure 6 illustre, schématiquement, l'analogie d'un capteur selon l'invention avec un potentiomètre classique, ainsi que l'électronique d'utilisation du capteur. La figure 7 représente un mode d'utilisation du capteur selon l'invention avec une résistance talon. La figure 8 montre la variation , en fonction du temps, de la tension de sortie d'un tel capteur en l'absence de contact et en cas de contact, Les figures 9 et 10 illustrent deux modes de ré- alisation d"un montage destiné à vérifier l'existence d'un bon contact entre une zone de la bande résistive et la bande conductrice. Les figures 11. 12 et 13 illustrent trois modes de réalisation de schémas électroniques d'utilisation du capteur des figures 1 à 3 doté d'une résistance talon. La figure 14 illustre un autre mode de réalisation de l'ensemble électronique d'utilisation d'un tel capteur avec une résistance talon. La figure 15. enfin, représente l'organigramme de la mise en oeuvre du montage de la figure 14. Selon l'invention et plus spécialement selon celui de ses modes d'application, ainsi que selon ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, auxquels il semble qu'il y ait lieu d'accorder la préférence, se proposant, par exemple, de réaliser un capteur de position et de déplacement, on s'y prend comme suit ou d'une manière analogue. On se réfère tout d'abord aux figures 1 à 3 montrant la structure du capteur selon l'invention, ainsi qu'aux figures 4 et 5 illustrant ce capteur en fonctionnement. Le capteur selon l'invention comporte - un premier substrat isolant allongé 1. appelé "collecteur", qui est rigide et qui est réalisé par exemple en résine époxy, sur lequel on a déposé une bande ou surface conductrice 2, par exemple en cuivre, revêtu d'un métal noble, tel que l'or, l'argent; - un second substrat isolant allongé 3, appelé "piste", qui est souple et qui est réalisé par exemple en "kapton". sur lequel on a déposé une bande ou surface résistive 4, par exemple en une matière plastique conductrice - une paire de conducteurs électriques 5, 6, dont les premières extrémités Sa, 6a sont connectées aux extrémités de la piste 4; et - un troisième conducteur électrique 7, dont une première extrémité 7a est connectée au collecteur 2. Le substrat souple 3 est concave en regard du substrat rigide 1, sa concavité etant provoquée par exemple par le dépôt de la matière plastique conductrice sur lui. Les deux substrats 1 et 3 sont solidarisés le long de leurs bords latéraux 8 et 9. alors qu'ils sont écartés à distance dans leur zone médiane allongée, un espace 10 existant normalement (comme visible sur la figure 2 en particulier) entre le collecteur 2 et la piste 4. En se référant maintenant plus particulièrement aux figures 4 et 5 on voit que lorsqu'on exerce une pression, par exemple au moyen d'un doigt humain 11, sur le substrat souple 3, en une zone déterminée 12 de celui-ci, la piste 4 vient au contact, dans cette zone 12. du collecteur 2, comme visible en particulier sur la figure 5. Au niveau de la zone 12 la piste 4 est en contact mécanique et électrique avec le collecteur 2. Comme on le voit sur la partie de gauche de la figure 6 (partie entourée par un rectangle X en traits interrompus), le dispositif des figures 1 à 3 permet de réaliser une fonction équivalente à celle d'un poten tiomètre, la pression du doigt remplissant le rôle du curseur d'un potentiomètre classique. Dans le rectangle X on retrouve schématiquement la piste resistive 4 et le collecteur conducteur 2, ainsi que les conducteurs électriques 5, 6 et 7 avec leurs premières extrémités respectives Sa, 6a et 7a. Comme dans un potentiomètre classique, la piste résistive 4 peut être soit linéaire, soit fonctionnelle. Par ailleurs, elle peut comporter des prises intermé- diaires, un point milieu et/ou au moins une résistance talon (comme cela sera d'ailleurs illustré ci-apres) pour réaliser des fonctions annexes. Avec un capteur selon l'invention on effectue généralement des mesures du type ratiométrique en déter minant le rapport M = C B , en-appelant VA. VC C VA - VB les potentiels aux points A, B, C respectivement (voir figure 6), c'est-à-dire aux secondes extrémités des conducteurs 5. 6 et 7 respectivement. Sur la figure 6 on a représenté schématiquement par un bloc Y l'électronique de traitement comportant trois entrées connectées aux points A. B et C et une sortie numérique S. Sur la figure 7 on a illustré la partie de la figure 6 comprise dans le rectangle X, mais en y ajoutant une résistance talon 13 connectée en série avec la piste résistive 4; l'extrémité 13a de la résistance talon 13 non connectee à la piste résistive 4 est connectée à la première extrémité d'un conducteur 14. Sur la figure 7 on a noté respectivement A1 , B C1 et D1 les deuxièmes extrémités, non connectées aux éléments 4. 2 et 13, des conducteurs 14, 5, 7 et 6 respectivement. Un des problèmes posés par le capteur selon l'invention est le contrôle du contact entre la piste s et le collecteur 2 dans la zone 12 - -notamment la détection d'un bon contact entre ces deux éléments sous l'effet d'une pression exercée sur la piste 4, par exemple au moyen d'un doigt - afin d'éliminer les mesures non significatives lorsque la pression n'est pas franche. Sur la figure 8 on a représenté une courbe d montrant la variation de la tension Bi (au point B1 de la figure 7) en fonction du temps t, lorsqu'on alimente le montage de la figure 7 entre les points A1 et D1, avec une tension U, et lorsqu'on observe la tension V61 par rapport à VD1. La droite horizontale W représente le seuil de bon contact. V Bi etant inférieur au seuil W en cas de bon contact entre la piste 4 et le collecteur 2 (zone c), alors que V81 est supérieur au seuil W en cas d'absence de contact (en dehors de la zone c. c'est-à- dire à droite et à gauche de celle-ci).La courbe d montre donc ce qui se produit lorsqu'on appuie le doigt 11 sur la piste 4 dans la zone 12, avec passage du non contact au contact (dans la zone de bon contact c). La variation de la tension V61 depend bien sur de la pression exercée par le doigt, de la surface sur laquelle s'exerce la pression (donc de la zone e de la piste 4 court-circuitée par le collecteur 4, zone e illustrée sur la figure 6) et également de la tension U et de la relation entre la valeur R de la resistance talon 13 et la résistance P de la piste 4. La variation de VB1 est donnée par la formule #VBl = e PR (R+P-eP)(R+P) Sur les figures 9 et 10 on a illustré deux montages permettant de détecter un bon contact franc entre la piste 4 et le collecteur 2. Sur la figure 9 on met en oeuvre un comparateur 15 pour détecter la variation de VB1 par rapport à une tension de polarisation V E définie par un diviseur de tension à deux résistances 16 et 17 de valeurs respectives R1 et R2, Le comparateur 15 débitera un signal de sortie de validation v lorsque V81 est supérieur à V E qui correspond en fait à la tension de seuil W définie sur la figure 8 et qui est obtenue grâce au diviseur de tension 16, 17. L'absence du signal de validation v signifie que le contact entre la piste 4 et le collecteur 2 n'existe pas ou n'est pas franc et que la mesure doit être éliminée. Dan le cas de la figure 10. on met en oeuvre, pour vérifier le bon contact entre la piste 4 et le collecteur 3, un multiplexeur analogique 1Sb et un convertisseur analogique/digital (ou analogique/numérique) 17b pour mesurer V81 - V01 et Vci - VD1. Le multiplexeur 16b multiplexe les tensions V81 et VC1, la sortie du multiplexeur 16b constituant l'entrée principale du convertisseur 17b qui reçoit les tensions V1 et VD1 comme tensions de référence positive et négative respectivement. La sortie numérique est disponible en S1 et elle est constituée, en cas de contact franc entre la piste 4 et le collecteur 2, par un signal de validation v1. Le capteur selon l'invention peut non seulement servir d'atténuateur. mais fournir différentes informations dans le cas où le doigt est remplacé par un élément mobile par rapport au capteur, par exemple la position, le déplacement et/ou la vitesse de cet élément mobile (ou éventuellement du doigt). On peut également réaliser des fonctions de commande avec le capteur selon l'invention. Ce capteur peut fonctionner de différentes ma nières, à savoir de manière incrementale, absolue, pa rallée, série, synchrone, etc. Sur les figures 11, 12 et 13 on a illustré trois modes de réalisation d'un traitement mettant en oeuvre le capteur selon l'invention tel que schematisé sur les figures 6 et 7 (sans ou avec résistance talon). Sur la figure il on a repris le montage de la figure 9 avec un comparateur 15 pour débiter un signal de validation v, en cas de bon contact; l'unité de traitement proprement dite comprend un convertisseur analogique/digital 18 recevant VCI sur son entrée principale et V81 et VD1 sur ses entrées de référence positive et négative respectivement. La sortie S2 du convertisseur 18 représente directement la position du contact entre la piste 5 et le collecteur 2 lorsque la sortie du comparateur 15 débite le signal de validation V.La sortie Sz est absolue dans ce montage, La figure 12 reprend également la figure 9 avec un comparateur 15 débitant un signal de validation v, en cas de bon contact, et elle comporte également, commeila figure 11, un convertisseur analogique/digital 18 avec les memes entrées que le convertisseur 18 de la figure 11 pour la connexion à B1. C1 et D1. Le montage de la figure 12 se distingue de celui de la figure 11 du fait qu'il comporte un verrou ou mémoire 19 pour enregistrer la valeur numérique précédente 53 débitée par le convertisseur 18 sur sa sortie S2. Une unité de contrôle 20 contrôle le convertisseur 18, le verrou 19 et un comparateur 21 qui reçoit, d'une part, la valeur numérique precédente s3 du verrou 19 et,-d'au- tre part, la valeur numérique actuelle s & du convertis- seur 18.Enfin une porte ET 22 ne débite sur sa sortie 23 que si elle reçoit le signal de validation v du comparateur 15, un signal de contrôle de l'unité 20 et un signal de non égalité à partir de la sortie d'égalité 21a du comparateur 21, et ceci à travers une porte NON 24 (en variante l'entrée de la porte ET 22 connectée à la sortie 21a peut etre une entrée d'inhibition, ce qui évite d'utiliser une porte NON séparée). Finalement sur la sortie 23 on a un signal d'horloge et sur la sortie 21b du comparateur 21 un signal indiquant le signe de la différence entre s4 et Chaque comparaison entre S4 et s3 commandée par l'unité de contrôle 20 fournira une information de sens sur la sortie 21a et éventuellement une impulsion sur la sortie 23, s'il y a bon contact et si les deux valeurs comparées sq et ss sont différentes, Il s'agit là d'une information relative, incrémentale, qu-i indique seulement un changement de position du doigt ou autre élément mobile, sans aucune référence d'origine absolue, Quant à la figure 13, elle représente la mise en oeuvre d'un microprocesseur 25 connecté aux points A1 B1' C1. c2 d'un capteur selon l'invention à piste 2 et collecteur 4, avec une résistance talon 13, la tension + U étant appliquée entre le point A1 et le point D1, ce dernier connecté à la masse. Le microprocesseur peut par exemple être du type PD 7816 (ou APD 7811), monocircuit à huit bits, avec convertisseur analogique/digital incorporé ayant une sortie numérique S;. La figure 14 met en oeuvre, comme la figure 13, un microprocesseur 25a qui peut également être du type ,,t(PD 7811 ou APD 7816. Ce microprocesseur comporte un multiplexeur 16a et un convertisseur analogique/digital 17a du même type que le multiplexeur 16b et le convertisseur 17b de la figure 10; les connexions des unités 16a et 17a sont analogues aux connexion-s des unités 16b et 17b de la figure 10. Le microprocesseur est prévu pour comporter également une unité de correction 26 connectée à la sortie numérique Sa du convertisseur 17a, la sortie numérique S5 du microprocesseur 25a -étant constituée par un signal numérique j. On va exposer maintenant, avec référence à la figure 15, le fonctionnement du microprocesseur 25a de la figure 14, en définissant préalablement les symboles utilisés dans l'organigramme représentatif du fonctionnement g : valeur numérique, fournie par le convertisseur 17a, de la tension presente, à l'instant de la mesure, sur l'entrée multiplexée G du multi plexeur 16a, à savoir V81 - VD1 h : valeur numérique, fournie par le convertisseur 17a, de la tension presente, à l'instant de la mesure, sur l'entrée multiplexée H du multi plexeur 16a, à savoir Vci - VD1 W : seuil (voir figure 8 et sa description) de déci sion d'un bon contact pour la valeur lue en G (pression suffisante d'un doigt ou d'un élément mobile) Vp: valeur lue précédemment par le convertisseur 17a sur l'entrée multiplexée H du multiplexeur 16a, à savoir V Cl - VD1 F : indicateur permettant de mémoriser l'information "bon contact" (action volontaire du doigt, par exemple, matérialisée par F = 1 j : valeur numérique de correction, à savoir écart entre deux mesures successives de h (sur H) en présence de l'information "bon contact" (F = 1), donc valeur representative du déplacement de la zone de pression du doigt ou de l'élément mobile actionnant le capteur. Ces symboles étant définis, on peut se reporter maintenant à l'organigramme de la figure 15 dont les dix opérations peuvent être résumées comme suit Opération 1 : à la mise en route du système (mise sous tension), sans aucune action sur le cap teur, lire la valeur de g Opération 2 : calculer le seuil W pour avoir un bon fonctionnement du système et donc détec ter un "bon contact" du collecteur sur la piste: pour cela on retranche une unité à la valeur g que l'on vient de lire W = g - 1; mettre les registres "VP.' et "F" à zéro Opération 3 lire la valeur de g Opération 4 : comparer la valeur g que l'on vient de lire à la valeur W calculée à la mise en route: - Si g est plus petit que W, cela veut dire qu'une portion suffisante de piste est court-circuitée et qu'il y a donc présence d'un doigt sur le capteur: on peut donc continuer le cycle ("bon con tact") Opération 5 : si g est supérieur ou égal à W, il n'y a pas à coup sur un bon contact: on recom mence le cycle en mettant à "0" l'indi cateur F, puis en allant à l'opération 3 Opération 8 :Si la condition est remplie, on actionne à "1" l'indicateur F Opération 7 : lire la valeur de g Opération 8 : calculer la correction (l'écart de posi tion entre la mesure précédente et l'actuelle) j - g - Vp - remplacer la valeur précédente Vp par la nouvelle valeur g |Vp = 92 Opération 9 : tester l'indicateur F - Si F = 1, transmettre la correction j - si F = O, mettre l'indicateur F à 1, puis recommencer l'opération 3 Opération 10 : transmission de la valeur j du déplace ment du contact sur la piste "correc- tion"), puis recommencer l'opération 3 On voit donc en définitive que le capteur selon l'invention illustré sur les figures 1 à 3. quoique d'une réalisation très simple et peu coûteuse, peut être utilisé dans des montages très différents permettant de constituer un atténuateur, et en particulier un attenuateur tactile, ou de realiser des dispositifs pour déterminer la position, le déplacement et/ou la vitesse de déplacement d'un élément mobile par rapport au capteur, par exemple pour une application en robotique. On peut bien entendu disposer en parallèle plusieurs capteurs selon les figures 1 à 3 pour réaliser des égaliseurs ou correcteurs haute fidélité ou d'autres dispositifs. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de rea- lisation qui ont été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Capteur de position et de déplacement, carac terisé en ce qu'il comprend en combinaison : une bande conductrice (2) établie sur une face d'un premier substrat isolant allongé (1); une bande résistive allongée (4) établie sur une face d'un second substrat isolant allongé (3), au moins un des deux substrants étant souple, et ces deux substrats étant disposés en regard l'un de l'autre de manière que la bande résistive se trouve en face de la bande conductrice, à une faible distance de celle-ci; une paire de conducteurs (5, 6) ayant chacun une première extrémité (5a, 6a) connectée à une extrémité différente de la bande résistive; et un troisième conducteur électrique 17) ayant une première extrémité (7a) connectée à la bande conductrice. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat (3) de la bande résistive (4) est souple, tandis que le substrat (1) de la bande conductrice (2) est rigide, 3. Capteur selon la revendication 1 ou 2, carac térisé en ce que la bande résistive (4) est constituée par une matière plastique conductrice. 4. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le substrat (1) portant la bande conductrice (2) est plan et en ce que le substrat (3) portant la bande résistive (4) présente une concavité tournée vers le substrat (1) portant la bande conductrice (2), 5. Capteur selon l une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'un des substrats, notamment le substrat (1) portant la bande conductrice (2), est réalisé en une résine époxy, tandis que l'autre substrat, notamment le substrat (3) portant la bande résistive (4), est réalisé en "kapton". 6. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte, connectée en série avec la -bande résistante, (4), une résistance talon (13). 7. Montage potentiométrique, caractérisé en ce qu'il comporte un capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes. 8. Montage selon la revendication 7. caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour vérifier le bon contact local entre la bande résistive (4) et la bande conductrice (2) en s'assurant que la tension de sortie V du capteur dépasse un certain seuil. 9. Montage selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits moyens sont constitués par un comparateur (15) recevant, d'une part, la tension de sortie utile (V81) du capteur et, d'autre part, une tension de référence (VE) notamment à partir d'un diviseur de ten sion (16, 17). 10. Montage selon la revendication 8, caractéri- sé en ce que lesdits moyens sont constitués par un multiplexeur (16b, 16a) recevant la tension de sortie utile du capteur et une tension auxiliaire IVc1) du capteur, et un convertisseur analogique/digital (17b, 17a) recevant la sortie du multiplexeur. 11. Montage selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend un comparateur (15) recevant, d'une part, la tension de sortie utile 12. Montage selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une unité à mémoire (19) apte à stocker la tension de sortie du convertisseur analogique/digital 118), et un comparateur (21) apte à comparer la tension de sortie actuelle (S 4) du comparateur avec la sortie (s3) préalablement stockée dans la mémoire. 13. Dispositif caractérisé en ce qu'il omprend en combinaison un capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, et un microprocesseur (25, 25a) connecté à la sortie utile (B1) de ce capteur et aux autres sorties (A1, C1, D1) de celui-ci. 14. Montage égaliseur ou correcteur, caractérisé en ce qu'il comporte en parallèle plusieurs capteurs selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.