Brevet FR2670635A1 — publié le 19920619

DISPOSITIF DE COMMUTATION A DOUBLE MODE DE FONCTIONNE- MENT. La présente invention concerne un dispositif de commuta- tion à double mode de fonctionnement, à savoir: un pre- mier mode de fonctionnement, de type à détection de proximité, et un deuxième mode de fonctionnement, de type à action mécanique directe. Elle s'applique avantageusement, mais non exclusivement, à la réalisation de claviers incluant une multiplicité de dispositifs de commutation de ce genre. D'une manière générale, on sait qu'il a déjà été proposé de nombreux types d'interrupteurs à action mécanique directe, l'une des solutions les plus simples consistant à utiliser une capsule élastique en matière électrique- ment conductrice, de la façon indiquée dans la demande de brevet FR No 90 04065, déposée au nom de la Demanderesse. Cette capsule élastique, en forme de calotte sphérique, est habituellement placée sur un circuit imprimé, de manière à être en contact électrique, par sa périphérie, avec une plage conductrice et s'étendre au-dessus d'une seconde plage conductrice, électriquement isolée de la première et placée sensiblement en regard de la zone cen- trale de la capsule. 2 - Il est clair qu'en exerçant sur la capsule une pression orientée vers le circuit imprimé, on provoque une défor- mation de cette capsule jusqu'à ce que sa partie centrale vienne en butée sur la seconde plage en établissant ainsi un contact électrique entre les deux plages. L'invention a plus particulièrement pour but d'adjoindre à un interrupteur de ce type, qui présente l'avantage d'être très plat, peu encombrant et peu coûteux, un second mode de fonctionnement de type à détection de proximité, et ce, sans en modifier la structure mécanique et donc sans en augmenter l'encombrement et l'épaisseur. Or, les dispositifs de détection de proximité les plus simples et les moins encombrants, à savoir les détecteurs de proximité à effet capacitif, font nécessairement intervenir une plage de détection en matériau électrique- ment conducteur, montée sur un substrat et des moyens de connexion de cette plage à un circuit électronique Du fait qu'elle est nécessairement disposée devant le pous- soir de l'interrupteur, cette plage, de même que son sub- strat, sont nécessairement minces et souples Outre le fait qu'elle accroît malgré tout l'épaisseur de l'interrupteur, cette solution présente l'inconvénient d'être peu fiable, la plage conductrice et/ou les connexions qui lui sont associées ayant tendance à se détériorer à la longue Ces inconvénients sont considéra- blement amplifiés dans le cas o on désire réaliser un clavier, en raison de la multiplicité des plages, de leur connexité et du nombre important d'éléments de connexion nécessaires. L'invention a donc plus particulièrement pour but de sup- primer cet inconvénient. Elle propose à cet effet un dispositif de commutation du type susdit faisant intervenir au moins un dispositif interrupteur comprenant au moins un élément de contact -3 - fixe porté par un substrat ainsi qu'un élément de contact mobile apte à venir s'appliquer sur l'élément de contact fixe sous l'effet d'une sollicitation. Selon l'invention, ce dispositif est caractérisé en ce qu'au moins l'un desdits éléments de contact est en outre utilisé en tant qu'élément de détection d'un dispositif de détection de proximité à effet capacitif, et en ce qu'il comprend des moyens permettant d'appliquer sur cet élément un signal électrique et des moyens aptes à détec- ter une variation dudit signal due à la proximité d'un objet électriquement conducteur. Bien entendu, le circuit du dispositif de détection de proximité peut être distinct du circuit de commutation purement mécanique de l'interrupteur. Toutefois, selon une caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, ces deux circuits sont combi- nés, le dispositif interrupteur faisant partie d'un mon- tage capacitif local à au moins trois niveaux d'impédance, à savoir: un premier niveau d'impédance résultant de la position ouverte de l'interrupteur en l'absence de détection de présence, un deuxième niveau d'impédance correspondant à la détection d'une présence d'un élément conducteur à proximité de la capsule (augmentation de la capacité entre les deux contacts), et un troisième niveau d'impédance correspondant à la posi- tion fermée de l'interrupteur. Un mode d'exécution de l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux des- sins annexés dans lesquels: La figure 1 est une coupe transversale schéma- tique montrant la structure mécanique d'un cla- vier selon l'invention; 4 - La figure 2 est un schéma de principe d'un cir- cuit électronique pouvant être associé à un interrupteur du type de ceux représentés figure 1; La figure 3 est un schéma électrique d'un cla- vier matriciel selon l'invention; La figure 4 est un diagramme montrant la varia- tion en fonction du temps, de la tension préle- vée sur la capsule d'un interrupteur, pour cha- cun des modes de fonctionnement de ce dernier; Les figures 5 et 6 sont deux représentations schématiques illustrant deux modes d'utilisation différents des dispositifs inter- rupteurs selon l'invention. Tel que représenté sur la figure 1, le clavier se compose tout d'abord d'un substrat plat 1, consistant par exemple en une plaquette de circuit imprimé, muni d'une pluralité de cavités cylindriques 2 (lamages) servant chacune de logement à un interrupteur respectif. Le fond 3 de chacune de ces cavités 2 est muni d'une métallisation annulaire 4 de diamètre extérieur sensible- ment égal au diamètre de la cavité, ainsi que d'une métallisation centrale 5 qui sert d'élément de contact fixe. A l'intérieur de chacune des cavités 2 est disposée une capsule métallique 6, élastiquement déformable, en forme de calotte dont la base circulaire présente un diamètre sensiblement égal au diamètre de la cavité 2 De ce fait, cette capsule 6 vient porter par sa base sur la métalli- sation annulaire 4, tandis que sa partie centrale s'étend au-dessus de la métallisation centrale 5. - Les capsules 6 sont maintenues à l'intérieur des évide- ments grâce à un film 7 en matière plastique élastique- ment déformable qui vient recouvrir la face supérieure du substrat 1 et est fixé sur celle-ci, par exemple par col- lage. Avantageusement, la face inférieure du substrat 1 porte un circuit électronique (non représenté) électriquement connecté aux métallisations annulaires 4 et aux métalli- sations centrales 5. Il est clair qu'au repos, la partie centrale de chaque capsule 6 est écartée de la métallisation centrale 5, l'interrupteur formé par ces deux éléments étant en posi- tion ouverte. A partir de cette position, une pression P exercée sur le sommet de la capsule 6 va provoquer une déformation élas- tique de la capsule 6 qui, après une inversion de conca- vité (effet tactile) vient porter sur la métallisation centrale 5 L'interrupteur est alors à l'état fermé. A ce premier mode de fonctionnement des interrupteurs du clavier, l'invention propose de rajouter un second mode de fonctionnement, de type à détection de proximité. Dans l r exemple représenté sur la figure 2, ce résultat est obtenu: d'une part, en associant localement, à chacun des interrupteurs I, un montage capacitif comprennent, en série entre une borne B sur laquelle est appliqué un signal périodique haute fréquence émis par un généra- teur 9, et un potentiel de référence (masse M), un pre- mier condensateur Ci, l'interrupteur I et un deuxième condensateur C 2 présentant une capacité relativement élevée, le point de jonction J entre le premier conden- sateur Cl et l'interrupteur I étant relié à la masse 6 - par l'intermédiaire d'une diode Dl et d'une résistance Ri; et d'autre part, en détectant le niveau de tension présent au point de sortie S (jonction entre la diode Dl et la résistance Rj). Il s'avère en effet que lorsque l'interrupteur I est à l'état ouvert et en l'absence d'élément conducteur à proximité de la capsule 6, le signal appliqué à la borne B est redressé et filtré On obtient en S un signal à un premier niveau de tension Nl. La présence d'un corps électriquement conducteur à proxi- mité de la capsule 6 a pour effet d'introduire une capa- cité parasite entre le point S et la masse En consé- quence, il s'établit un courant de fuite qui atténue le signal de tension prélevé au point de jonction J Le signal de sortie en S a donc une tension située à un deuxième niveau N 2, bien inférieur au premier. Dans le cas o l'interrupteur I est fermé, le point de jonction J se trouve relié à la masse par l'intermédiaire du condensateur C 2 Ainsi, à condition de prévoir un condensateur C 2 de capacité suffisamment élevée, on obtient au point de sortie S un signal de tension de valeur très faible, voire même nulle (niveau N 3). Bien entendu, le signal de tension prélevé au point S peut être analysé par un système analogique (qui procède par exemple par comparaison avec des tensions de seuils) de manière à discerner les trois niveaux et, en consé- quence, sélecter les commandes qui leurs correspondent. Il peut être tout simplement appliqué à un convertisseur analogique 10 suivi d'un circuit d'utilisation 11. 7 - Cette solution est particulièrement avantageuse dans le cas o l'on souhaite réaliser un clavier de type matri- ciel. En effet, dans ce cas, ce clavier peut comprendre, comme représenté figure 3: une première succession de conducteurs parallèles défi- nissant une suite de lignes Lî, L 2, Ln, ces conduc- teurs pouvant être déposés sur l'une des deux faces de la plaquette de circuit imprimé utilisée comme substrat 1 du clavier; une deuxième succession de conducteurs parallèles défi- nissant une suite de colonnes Ki, K 2, Km axées per- pendiculairement auxdites lignes Li, L 2, Ln, ces conducteurs pouvant être déposés sur la deuxième face de la plaquette de circuit imprimé; des dispositifs interrupteurs Il à Ii du type de ceux représentés figures 1 et 2 respectivement placés aux voisinages des intersections entre les lignes et les colonnes. Chacune des lignes Li, L 2, Ln est connectée, d'une part, d'un côté, à une entrée correspondante d'un multi- plexeur 12 et, d'autre part, de l'autre côté, à la masse, par l'intermédiaire d'une résistance Ri. Chacune des colonnes est connectée, d'une part, à une sortie d'un décodeur 13 qui permet d'appliquer successi- vement sur les colonnes Ki, K 2, Km, un signal pério- dique haute fréquence (signal carré de 2 M Hz) provenant d'un générateur 9, et, d'autre part, à la masse par l'intermédiaire d'un condensateur de capacité relative- ment faible C 3. 8 - Le dispositif de commutation 13, ainsi que le multi- plexeur 12 sont pilotés par un même compteur 14 de manière à pouvoir assurer une scrutation du clavier selon une séquence classique. La sortie du multiplexeur 12 est appliquée à l'entrée d'un convertisseur analogique-numérique 10 lui-même connecté à un processeur P. A chaque dispositif interrupteur Il à Ii est associé localement un montage capacitif du type de celui repré- senté sur la figure 2. Ce montage comprend plus particulièrement un circuit reliant la colonne K à la masse et comportant, en série, un premier condensateur Cl, le dispositif interrupteur I et un deuxième condensateur C 2. Le point de jonction J entre le condensateur Cl et le dispositif interrupteur est relié à une ligne Ll, L 2 Ln, par l'intermédiaire d'une diode Dl montée en direct et à la masse, par l'intermédiaire d'une diode D 2 montée en inverse. Le fonctionnement de ce circuit capacitif est le même que celui qui a été décrit en regard de la figure 2 et ne sera donc pas exposé à nouveau. Par contre, au niveau du clavier, le cycle de scrutation est le suivant: Au cours d'une première période, le dispositif de commu- tation 13 va appliquer sur la première colonne Kl le signal haute fréquence émis par la source 9 Au cours de cette première période, le multiplexeur 12 va successive- ment connecter les lignes Li, L 2, Ln à la sortie. 9 - Au cours d'une seconde période, le signal haute fréquence est appliqué à la deuxième colonne K 2 et le multiplexeur 12 effectue à nouveau sa séquence de connexions. Ce processus se répète jusqu'à la mième colonne Km Le système a fini le cycle de scrutation et peut alors enta- mer un nouveau cycle. Il est clair que selon ce type de scrutation, à chaque instant, le processeur détecte l'état (niveau de tension au point S) d'un ensemble interrupteur/circuit capacitif, dont il connaît l'adresse. Dans le cas o cet ensemble n'est pas sollicité ou influencé par la proximité d'un objet électriquement conducteur, la tension fournie à la sortie du multi- plexeur présentera une valeur maximum (niveau Ni) Comme cela se trouve illustré sur le diagramme de la figure 4, cette valeur maximale fluctue légèrement d'un ensemble à l'autre (zone zl), les résistances Ri et les capacités C 3 servant notamment à ajuster ces tensions aussi près que possible de la valeur que l'on s'est fixée. Dans le cas o un ensemble est influencé par la présence d'un objet électriquement conducteur en raison du courant parasite engendré par l'augmentation de la capacité cap- sule 6/contact fixe 5 du dispositif interrupteur I, la tension recueillie à la sortie du multiplexeur 12 présen- tera une valeur intermédiaire nettement inférieure à la valeur maximum (niveau N 2), (zone z 2, figure 4). Dans le cas o le dispositif interrupteur I est en posi- tion fermée, la tension présente à la sortie du multi- plexeur 12 sera minimale, voire même nulle (niveau N 3), (zone z 3, figure 4). - Grâce à son double mode de fonctionnement, le dispositif interrupteur selon l'invention peut être utilisé dans de multiples applications. Ainsi, par exemple, la figure 5 illustre une application selon laquelle des dispositifs interrupteurs I sont pla- cés sur le bord d'un écran E et assurent simultanément les fonctions de clé de ligne et de surface tactile Le déplacement du doigt le long de cette surface tactile permet, par exemple de dérouler un menu, d'assurer une fonction "ascenseur" pour se déplacer dans une image ou un texte plus grand que l'écran, d'incrémenter ou de décrémenter une valeur numérique, de déplacer un curseur et/ou d'effectuer une validation. La figure 6 montre un clavier matriciel du type de celui précédemment décrit qui, grâce aux dispositions précédem- ment décrites, a la particularité de pouvoir, dans le même encombrement, assurer les fonctions d'un clavier classique et d'une tablette tactile. Dans ce dernier type d'application, le processeur associé au clavier pourra avantageusement calculer le barycentre des dispositifs interrupteurs qui se trouvent influencés, au même moment, par exemple, en raison de la proximité d'un doigt d'un opérateur. Un tel traitement, qui se trouve décrit dans les demandes de brevet FR No 87 07323 et FR No 90 06820, permet d'obtenir une résolution très supérieure à la résolution d'un clavier à détection de proximité de type classique. 11 - Revendications 1 Dispositif de commutation à double mode de fonctionnement, à savoir: un premier mode de fonctionne- ment, de type à détection de proximité et un deuxième mode de fonctionnement, de type à action mécanique directe, ce dispositif de commutation faisant intervenir au moins un dispositif interrupteur comprenant au moins un élément de contact fixe ( 4, 5) porté par un substrat ( 1) ainsi qu'un élément de contact mobile ( 6) apte à venir s'appliquer sur l'élément de contact fixe ( 4, 5) sous l'effet d'une sollicitation, caractérisé en ce qu'au moins l'un desdits éléments de contact ( 4, 5, 6) est en outre utilisé en tant qu'élément de détection d'un dispositif de détection de proximité à effet capacitif, et en ce qu'il comprend des moyens ( 9) permettant d'appliquer sur cet élément un signal élec- trique et des moyens ( 10, 11) aptes à détecter une varia- tion dudit signal due à la proximité d'un objet électri- quement conducteur. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif interrupteur comprend deux éléments de contacts fixes consistant en deux plages conductrices portées par le substrat et un pont de contact mobile qui est en contact électrique avec l'une des deux plages ( 4) et s'étend au repos au-dessus de la deuxième plage ( 5), ledit pont de contact mobile servant d'élément de détection du susdit dispositif de détection. 3 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le susdit pont de contact mobile consiste en une capsule élastique ( 6). 4 Dispositif selon l'une des revendications précédentes, 12 - caractérisé en ce que le dispositif de détection de proximité est indépendant du circuit de commutation pure- ment mécanique ( 4, 5, 6) du dispositif interrupteur. 5 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dispositif interrupteur fait partie d'un montage capacitif (Cl, C 2) à au moins trois niveaux d'impédance, à savoir un premier niveau dr impédance résultant de la position ouverte du dispositif interrupteur (I) en l'absence d'une détection de présence; un deuxième niveau d'impédance résultant d'une détec- tion de présence, le dispositif interrupteur (I) étant en position ouverte; et un troisième niveau d'impédance résultant de la posi- tion fermée du dispositif interrupteur (I). 6 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le susdit montage capacitif com- prend, d'une part, en série, entre une borne (B) sur laquelle est appliqué un signal périodique haute fré- quence émis par un générateur ( 9) et une borne (M) portée à un potentiel de référence, un premier condensateur (Ci), le dispositif interrupteur (I) et un deuxième condensateur (C 2), le point de jonction (J) entre le pre- mier condensateur (Cl) et le dispositif interrupteur (I), étant relié au potentiel de référence, par l'intermédiaire d'une diode et d'une résistance et, d'autre part, des moyens de détection permettant de détecter la tension au point de sortie (S). 13 - 7 Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens ( 10) permet- tant d'effectuer l'analyse de la tension prélevée au sus- dit point de sortie (S). 8 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens d'analyse sont ana- logiques. 9 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens d'analyse comprennent un convertisseur analogique/numérique ( 10) couplé à un pro- cesseur (P). 10 Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les dispositifs interrupteurs sont agencés selon une configuration matricielle, caractérisé en ce qu'il comprend une première succession de conducteurs parallèles défi- nissant une suite de lignes (Li, L 2, Ln), chacune de ces lignes étant connectée par l'une de ses extrémi- tés à une entrée correspondante d'un multiplexeur ( 12); une deuxième succession de conducteurs parallèles défi- nissant une suite de colonnes (Kî, K 2, Km) axées perpendiculairement auxdites lignes, chacune de ces colonnes étant connectée à une sortie d'un dispositif de commutation ( 13) apte à appliquer successivement sur lesdites colonnes, un signal périodique haute fré- quence; à chaque intersection ligne/colonne (L, K), un disposi- tif interrupteur (Il, Ii) associé à un montage capacitif comprenant, en série, entre la colonne (K) et un potentiel de référence, un premier condensateur (Ci), le dispositif interrupteur (I) et un deuxième 14 2670635 condensateur (C 2), le point de jonction (J) entre le premier condensateur (Cl) et le dispositif interrupteur étant relié à la ligne (L) par l'intermédiaire d'une diode (DI).