Brevet FR2605735A1 — publié le 19880429

DISPOSITIF D'ENTREE DE COORDONNEES DE REPéRAGE DE LA ZONE D'APPUI D'UNE FORCE L'invention concerne un dispositif d'entrée de coordonnées de repérage de la zone d'appui d'une force comprenant une plaque mobile par rapport à un encadrement auquel elle est reliée par des supports élastiques qui sont munis de capteurs qui détectent une force externe appliquée sur une zone de la plaque en délivrant des signaux électriques qui activent des organes électriques reliés à une centrale de traitement, le dispositif étant corrigé des effets de variations de température de la plaque. Un tel dispositif peut être contrôlé par la pression du doigt ou d'un quelconque objet, et peut être utilisé pour fournir des coordonnées de position à un ordinateur ou tout autre appareillage. Une invention de ce genre est connue du brevet US 4 558 757 qui décrit un dispositif d'entrée de coordonnées de position. I1 est constitué d'une plaque rectangulaire reliée par les quatre coins, à un encadrement par quatre supports élastiques qui comportent chacun une jauge de contrainte. Mais les jauges de contrainte présentent des caractéristiques qui varient avec la température du support élastique sur lequel elles sont placées et donc de la température de la plaque. Pour traiter ce problème ce brevet propose deux solutions. La première solution consiste à utiliser sur une même diagonale une paire de capteur ayant des caractéristiques de variation en température d'un premier signe et sur l'autre diagonale une autre paire de capteur ayant des caractéristiques de variation en température de valeur égale mais de signe opposé. I1 est ainsi possible globalement de compenser les variations de la température de la plaque. La seconde solution consiste à utiliser sur une même diagonale une paire de capteurs placée sur le dessus des supports et sur l'autre diagonale une autre paire identique montée sur le dessous des supports. Dans les deux cas les jauges opèrent solidairement pour compenser les effets des variations de température de la plaque. Mais ce dispositif ne peut opérer correctement que si la température de tous les capteurs est identique. Or il est tout à fait aisé d'imaginer les situations où un tel dispositif va présenter des températures différentes dans les zones de prélèvement des informations de pression. Un ou plusieurs des capteurs peuvent être soumis à un rayonnement thermique qui modifie leurs températures. Dans ce cas le dispositif du brevet US 4 558 757 ne peut plus compenser correctement les variations de température et le dispositif devient inapproprié à la fonction. D'autre part, le principe de la compensation par paire de capteurs nécessite un nombre pair de capteurs pour effectuer ce type de corrections. Le problème qui se pose est donc de réaliser un dispositif de coordonnées de repérage de la zone d'appui d'une force qui fonctionne correctement même si l'un quelconque des capteurs est à une température différente de celle des autres. Un autre probleme est que la compensation des variations de température puisse être effectuée sans que le nombre de capteurs soit nécessairement pair. La solution à ces deux problèmes consiste en ce que chaque capteur est constitué d'un montage de quatre jauges de contrainte reliées entre elles selon un montage dit en pont de wheatstone compensé en température qui délivre un signal indépendant de la température afin de s'affranchir des variations locales de température de chaque zone de la plaque située sous chaque capteur. Il faut au moins deux capteurs. Lorsqu'il y a plus de deux capteurs, l'un au moins des capteurs ne doit pas être aligné avec les autres. Préférentiellement les jauges de contrainte sont sérigraphiées sur le support élastique. Chaque capteur constitué de quatre jauges de contrainte va opérer individuellement pour compenser les variations de température de la zone où il est placé et délivrer un signal indépendant de la température. Mais tous les capteurs vont coopérer entre eux en délivrant chacun des signaux compensés en température qui vont être traités conjointement par la centrale de traitement afin de délivrer les coordonnées de repérage de la zone d'appui de la force. Selon la position de la force d'appui sur la plaque les jauges de chaque capteur vont pouvoir travailler aussi bien en extension qu'en compression. Premièrement par le fait -que chaque angle de la plaque peut être sollicité dans une direction ou dans la direction inverse. Deuxièmement parce que les jauges de contrainte peuvent être disposées sur l'une et l'autre face du support élastique selon plusieurs configurations possibles. Préférentiellement, les jauges sont déposées par sérigraphie sur un support élastique constitué d'une plaque d'alumine. Ce matériau a une conductivité thermique assez élevée de sorte que les quatre jauges sont à la même température, celle de leur support. Lorsque les jauges constituant le pont de wheatstone sont déposées sur l'une ou l'autre face de la plaque d'alumine les connexions électriques passent d'une face à l'autre. Les signaux électriques délivrés par chaque capteur sont ainsi indépendants des variations locales de température. Ils vont ensuite vers une centrale de traitement pour délivrer les coordonnées de repérage de la zone d'appui de la force. Ce traitement est préférentiellement effectué en opérant une conversion analogique-numérique des signaux de chaque capteur puis en utilisant un microprocesseur comme centrale de traitement. L'invention sera mieux comprise à l'aide des figures suivantes, données à titre d'exemple non limitatifs, quireprésentent : figure 1 : une illustration du mécanisme d'application des forces, figure 2 : un schéma représentant l'application de la figure 1 à une situation réelle, figure 3A et 3B : un schéma d'un capteur selon l'invention, figure 4 : un schéma électrique du montage en pont des quatre jauges, figure 5 : un autre mode opératoire du support élastique, figure 6 : un schéma électrique permettant d'effectuer le traitement des signaux. La figure 1 représente un exemple avec une plaque rectangulaire 10 sur laquelle agit en un point quelconque (x, y) une force extérieure F. Lorsque la plaque est reliée à un capteur par ses quatre angles, chaque capteur va exercer une force de réaction telle que f1, f2, f3, f4. Si L et H sont les deux dimensions de la plaque il est connu que les coordonnées du point d'appui sont données par x = (f3 + f4) k et y = (f1 + f4) H F F La figure 2 représente un schéma de réalisation du dispositif selon l'invention. La plaque mobile 10 est reliée à l'encadrement 11 à l'aide de quatre capteurs 121 122, 123, 124. Ces capteurs sont respectivement reliés à la plaque mobile 10 par des entretoises 131, 132, 133, 134, et sont respectivement reliées à l'encadrement 11 par des entretoises 141, 142, 143, 144. La figure 3A représente une vue de dessus d'une représentation d'un capteur selon l'invention. Le capteur 121 comprend une plaque d'alumine frittée 151 sur lequel sont disposées les jauges de contraintes 21, 22, 23, 24 connectées en tre elles dans l'ordre en boucle fermée. Entre le point commun aux jauges 23 et 24 et celui commun aux jauges 21, 22 est ap- pliquée une tension d'alimentation V. Entre le point commun aux jauges 21 et 24 et celui commun aux jauges 22 et 23 est mesurée la tension e. La figure 38 montre la figure 3A selon une vue de coté dans un état de flexion du support élastique, mais représentée d'une façon exagérée pour bien faire comprendre le mécanisme de fonctionnement. Dans cette configuration le support élastique 151 étant solidaire d'un coté de l'écran 10 et de l'autre de l'encadrement 11, il subit une déformation en forme de S. En disposant les jauges de contraintes de part et d'autre de la région à contrainte nulle, on obtient que les deux jauges 22 et 24 opèrent en compression tandis que les deux jauges 21 et 23 opèrent en extension. En faisant opérer simultanément deux jauges en extension et deux jauges en compression on obtient un signal de sortie e de valeur plus élevée, ce qui constitue une réalisation préférentielle de l'invention. Le mode de fonctionnement d'un tel pont est explicité à l'aide du schéma électrique de la figure 4. Lorsque le pont est alimenté par la tension V, la tension mesurée e est déterminée par On réalise le pont de sorte que les quatre résistances R1, R2, R3, R4 aient sensiblement la même valeur pour une température donnée et sans contrainte appliquée par exemple Ro = 3,7 KOhms à température ambiante. Or chaque résistance peut être modélisée par la relation : R = Il 1 + P + (1 + CT) k . S + CT avec Ro : résistance à température ambiante C : coefficient de température de la résistance telle que déposée sur le support élastique T : variation de température par rapport à la tempéra ture ambiante k : facteur de variation de la résistance avec la con trainte S : valeur de la contrainte P : écart de la résistance du pont à température ambian te par rapport à R0 idéale. Ces paramètres suivants ont pour valeurs moyennes: C : inférieur à environ 5.10-5 k : supérieur à environ 6 S : inférieure à environ 10-3. Dans ces conditions la relation caractérisant la résistance modélisée devient R = Ro(1 + dR) avec dR = P + kS + CT. Les variations de résistance avec la température sont donc indépendantes des variations avec la contrainte. Avec l'hypothèse que dR est très inférieur à R, on peut approximer e par V La tension de déséquilibre du pont se décompose selon l'équation à la température ambiante et sans contrainte eo = O si p = O e1 e1/V variation avec la contrainte S V variation avec variation avec la température T. V Il apparaît que c'est-à-dire puisque les quatre jauges sont identiques C1 = C2 C3 = C4 et e2/V = O. Chaque capteur est ainsi autocompensé en température. Dans le cadre de la réalisation préférentielle, en donnant à R1 et R3 des contraintes de même intensité II et de même signe et à R2 et R4 des contraintes également de même intensité (I mais de signes opposés, on obtient La figure 5 représente un autre mode opératoire du support élastique. Pour cela il est fixé rigidement à l'encadrement 11 par une de ses extrémités, l'autre extrémité étant libre, la plaque mobile agissant alors par pression sans lien rigide de fixation. Dans ce cas les jauges sont préférentiellement disposées au-dessus et en-dessous de la plaque près de l'extrémité à fixation rigide de sorte que deux des jauges opèrent en extension et les deux autres opèrent en compression. La figure 6 représente un schéma électrique permettant d'effectuer le traitement des signaux. Le signal de mesure e est prélevé entre le point commun à R1 et R4 et celui commun à R2 et R3. L'alimentation électrique est effectuée entre le point commun à R1 et R2 et celui commun à R3 et R4. Le signal de mesure e est par exemple introduit dans un amplificateur différentiel 50 qui est relié à un multiplexeur de canaux 51. Celui-ci va recevoir autant de signaux de mesure qu'il y a de capteurs dans le dispositif d'entrée, par exemple quatre voies 521, 522, 523, 524. Un signal de commande 53 sert à contrôler le multiplexeur 51 afin que celui-ci délivre successivement les signaux à un convertisseur analogique-numérique 54 relié å une centrale de traitement 55, par exemple un microprocesseur. Celui-ci détermine les coordonnées x et y de repérage de la zone d'appui de la force comme cela a été indiqué préalablement. Selon la figure 38 l'écran 10 et l'encadrement 11 sont situés de part et d'autre du support élastique. Mais il est également possible de les disposer du même coté. L'invention vient d'être décrite à l'aide de quatre capteurs disposés aux quatre coins d!une plaque rectangulaire. Mais il est possible de relier la plaque mobile à l'encadrement par un nombre quelconque de capteurs compensés en température selon l'invention. La détermination des coordonnées d'équilibre se déduisant alors d'équations analogues à celles développées dans le cas de quatre points d'appui il suffit d'écrire l'équilibre des moments des forces dans le plan de la plaque mobile. Il suffit alors que un seulement des capteurs ne soit pas aligné avec les autres pour rendre le dispositif opérationnel. Dans le cas où seulement deux capteurs sont utilisés le plan se transforme en une bande sur laquelle on peut repérer la coordonnée longitudinale. Le dispositif selon l'invention peut être utilisé pour réaliser un écran tactile en utilisant une plaque mobile transparente placée devant un dispositif de visualisation tel qu'un écran de télévision ou un écran de moniteur sur lesquels sont présentées des données qui peuvent ainsi être sélectionnées. Il peut également constituer un panneau d'affichage en remplacement des boutons habituels. Le dispositif peut opérer dans toutes les positions, la pesanteur donnant des contraintes constantes sur les jauges. Seules les variations de contraintes servent à détecter la force d'appui. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'entrée de coordonnées de repérage de la zone d'appui d'une force comprenant une plaque mobile par rapport à un encadrement auquel elle est reliée par des supports élastiques qui sont munis de capteurs qui détectent une force externe appliquée sur une zone de la plaque en délivrant des signaux électriques qui activent des organes électriques reliés à une centrale de traitement, le dispositif étant corrigé des effets de variations de température de la plaque, caractérisé en ce que chaque capteur est constitué d'un montage de quatre jauges de contrainte reliées entre elles selon un montage dit en pont de wheatstone compensé en température qui délivre un signal indépendant de la température afin de s'affranchir des variations locales de température de chaque zone de la plaque située sous chaque capteur. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre de capteurs est égal à 2. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre de capteurs est supérieur à 2, l'un au moins des capteurs n'étant pas aligné avec les autres. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 3, caractérisé en ce que les jauges de contraintes sont sérigraphiées sur le support élastique. 5. Dispositif de visualisation caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'entrée de coordonnées selon une des revendications 1 à 4. 6. Panneau d'affichage caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'entrée de coordonnées selon une des revendications 1 à 4.