Brevet FR2683649A1 — publié le 19930514

TABLETTE DIGITALISANTE Les tablettes digitalisantes, plus connues sous leur dénomination anglaise "Digitizer pad" ont été proposées dans le brevet US 4,810,992. Ces tablettes fonctionnent d'après le principe des FSR, qui est l'abréviation de "Force Sensing Resistor" et qui sont des capteurs de force sensibles à la pression. Ces capteurs sont des couches semi-conductrices constituées de minuscules particules d'un matériau semi-conducteur, tel que du sulfure de molybdène, d'une taille de 1 à 10 microns, mélangées dans une résine formant le support de ces particules. Ces particules confèrent à la surface de la couche un aspect rugueux, genre papier émeri.Lorsque cette couche est appliquée avec sa surface rugueuse contre une couche conductrice, une variation de la pression de contact entraîne une variation du nombre de points de contact, ce qui se traduit par une modification de la résistance à travers la couche semiconductrice. Au lieu d'appliquer une couche conductrice contre la couche FSR, il est possible d'utiliser une pellicule résistive portant un réseau conducteur déposé sur la pellicule sous forme de deux peignes d'électrodes en disposition interdigitale. Cette pellicule est alors scellée à la couche FSR de manière à ce que les peignes d'électrodes effleurent la couche semi-conductrice FSR. Si aucune force n n'est appliquée à une telle structure, la résistance entre les bornes des peignes d'électrodes est très élevée, généralement de l'ordre de plusieurs mégaohms. Par contre, lorsque le FSR est soumis à une force perpendiculairement à sa surface, la couche FSR shunte les électrodes au point de contact et la résistance diminue proportionnellement à l'intensité de la force.C'est cette propriété qui est, par exemple, mise à profit dans le brevet US 4,489,302 pour mesurer une force. Dans les tablettes digitalisantes, ce principe est mis à profit, non seulement pour mesurer la force ou pression, mais également pour déterminer les coordonnées du point d'application de la force, à la manière de deux potentiomètres linéaires, d'où la désignation de tablettes x y z, c'est-à-dire détermination des positions x et y et de l'intensité de la force suivant l'axe z. Les applications techniques de ces tablettes digitalisantes sont extrêmement nombreuses. Elles peuvent, par exemple, être utilisées pour le contrôle de signatures en reproduisant le tracé sur écran et la modulation, par exemple, de la couleur ou de ltépaisseur du trait en fonction de la pression du stylo. D'autres applications sont, par exemple, les tables de dessin électroniques. te brevet US 4,810,992 propose, en fait, deux types différents de tablettes digitalisantes. Dans le mode d'exécution selon les figures 10 et 11, l'effet FSR dans une structure stratifiée carrée est mis en valeur par deux paires d'électrodes latérales mutuellement opposées. Ce mode d'exécution présente l'inconvénient de nécessiter deux couches FSR. En outre, ces couches FSR sont associées, chacune, à une couche résistive qui est exposée à une usure rapide à cause du caractère abrasif de la surface de la couche FSR avec laquelle elle est en contact. Un autre inconvénient est que cette tablette digitalisante ne peut pas effectuer les trois mesures x, y, z simultanément et nécessite des moyens de commutation pour effectuer les mesures successivement. Dans le mode d'exécution selon les figures 14 et 15 du brevet US précité, l'effet FSR suivant les axes x, y, z est mesuré par l'intermédiaire de deux groupes de peignes d'électrodes orientés perpendiculairement l'un par rapport à l'autre. Ce mode d'exécution ne souffre pas des problèmes d'usure du premier mode d'exécution car, ici, ce sont des électrodes métalliques, plus résistantes, qui sont en contact avec les surfaces rugueuses des FSR. Par contre, les peignes d'électrodes nécessitant une haute résolution géométrique sont difficiles à fabriquer. En plus, il faut, pour chaque tablette, deux groupes de peignes d'électrodes et deux couches de FSR. Le but de la présente invention est de proposer une nouvelle tablette digitalisante qui, non seulement ne présente pas les inconvénients des tablettes connues, mais qui, en outre, peut se prévaloir d'avantages supplémentaires. Pour atteindre cet objectif, la présente invention propose une tablette digitalisante qui est caractérisée par une structure de forme quelconque, constituée d'une couche FSR, prise en sandwich entre une couche résistive et une couche conductrice, par au moins deux électrodes en contact avec le bord de la couche résistive à des endroits distincts et reliées, chacune, à un potentiel électrique de référence à travers un dispositif de mesure de courant, par une source de courant reliée à la couche conductrice, et par un dispositif de mesure de la tension électrique entre la couche conductrice et ledit potentiel de référence. En appliquant une pression à un endroit quelconque de cette tablette, la diminution de la résistance de la couche FSR permet d'injecter un courant de la source de courant à l'endroit d'application de cette force et de distiller des courants en direction des différentes électrodes. L'intensité du courant mesuré aux différentes électrodes permet de déterminer immédiatement l'endroit exact d'application de la force, soit par un calibrage initial de la tablette, soit par un calcul instantané effectué par le microprocesseur associé à la tablette. La mesure de la tension entre la couche conductrice et le potentiel de référence fournit l'information sur l'intensité de la force appliquée. Ces mesures de la force et de la position peuvent être effectuées simultanément de sorte qu' aucune commutation des électrodes n'est exigée dans ce type de tablette digitalisante. On obtient ainsi des temps de réaction beaucoup plus faibles que dans les tablettes digitalisantes connues et les mesures de la force et de la position sont parfaitement corrélées. Cette tablette digitalisante a, en outre, l'avantage de n'avoir qu'une seule couche FSR pour la mesure des deux coordonnées x et y et de la force z. Elle ne nécessite pas la présence de peignes d'électrodes difficiles à fabriquer et présentant souvent des irrégularités ou fissures pouvant fausser les résultats de sorte que les mesures obtenues sont très fiables. Il n'y a pas non plus de problème de court-circuit entre les différentes électrodes. La couche FSR peut être une couche séparée ou être formée directement sur la couche résistive ou sur la couche conductrice. Cette couche conductrice peut être une électrode métallique relativement rigide mais susceptible d'une déformation locale. Ceci évite également les problèmes d'usure avec la surface rugueuse du FSR lorsque l'électrode est métallique et lorsque la couche FSR se trouve sur la couche résistive ou est formée sur celle-ci. Selon un mode de réalisation avantageux, la structure possède une forme polygonale, de préférence carrée, les électrodes étant prévues à chaque coin de la structure. Chaque électrode peut être reliée à un convertisseur A/D à travers un amplificateur opérationnel. Selon un autre mode de réalisation, la couche résistive est entourée de quatre bandes s'étendant entre les électrodes et dont la résistance électrique est beaucoup plus faible que celle de la couche résistive centrale. Une des électrodes est connectée à un potentiel électrique élevé et l'électrode diagonalement opposée a un potentiel électrique plus bas, tandis que les deux autres électrodes sont commutables, l'une entre le potentiel élevé et le potentiel plus bas, l'autre entre le potentiel plus bas et le potentiel élevé et vice-versa. D'autres particularités et avantages ressortiront de la description détaillée de quelques modes de réalisation présentés ci-dessous, à titre d'illustration, en référence aux figures annexées dans lesquelles - la figure 1 représente schématiquement une vue en plan d'un premier mode de réalisation de la tablette digitalisante selon la présente invention ; - la figure la représente schématiquement une tablette en coupe verticale - la figure 2 représente schématiquement une variante de la tablette digitalisante de la figure 1 - Les figures 2a et 2b représentent des exemples de mesure du courant en fonction de la position sur la tablette et - les figures 3 et 3a représentent schématiquement deux vues en plan, respectivement en coupe, d'un second mode de réalisation d'une tablette digitalisante. Dans le mode de réalisation selon les figures 1 et la, une couche résistive 1, de forme quelconque, à épaisseur constante ou ayant une distribution connue et une résistance spécifique constante, ou ayant une distribution connue, est contactée, sur sa périphérie, par plusieurs, par exemple cinq électrodes 2, 3, 4, 5 et 6 à résistance électrique faible par rapport à celle de la couche résistive 1. Une couche à faible résistance spécifique, par exemple une électrode métallique 7, d'une forme et étendue comparable à celle de la couche résistive 1 est superposée à celle-ci. Entre la couche résistive 1 et l'électrode 7, se trouve une couche FSR 8 pouvant être constituée par une couche séparée ou être formée directement, soit sur la couche résistive 1, soit sous l'électrode 7.En tout cas, le contact entre la couche résistive 1 et l'électrode superposée 7 est toujours réalisé par l'effet FSR de la couche 8. L'électrode superposée 7 est connectée à une source de courant 9 et les électrodes 2, 3, 4, 5, 6 de la couche résistive 1 sont connectées à un potentiel électrique de référence connu, par exemple la masse, à travers des dispositifs 10, 11, 12, 13, 14 permettant la mesure des courants individuels par exemple des ampèremètres. Un voltmètre 15 ou autre moyen approprié permet de mesurer le potentiel entre l'électrode superposée 7 et le potentiel électrique de référence, par exemple la masse. En appliquant une pression à un endroit quelconque de la face supérieure de l'électrode 7, l'effet FSR dans la couche 8 réduit la résistance entre la couche résistive 1 et l'électrode 7, proportionnellement à l'intensité de cette force. Par conséquent, le courant électrique fourni par la source 9 pénètre à l'endroit d'application de la force exercée sur la tablette et ce courant est ensuite réparti par la couche résistive 1 sur les différentes électrodes 2, 3, 4, 5 et 6 en fonction de la position d'application de la force. On peut ainsi calculer la position de la force appliquée à partir de l'ensemble des valeurs des courants individuels mesurés dans les instruments 10, 11, 12, 13 et 14. Cette position peut être calculée rapidement dans le microprocesseur en fonction de ces mesures de courant.La position peut également être déterminée grâce à un calibrage ou un apprentissage initial de la tablette, par lequel on attribue à une multitude d'échantillons de mesure des positions correspondantes. Si la force se déplace sur l'électrode 7, et résulte d'une écriture ou d'un dessin, il est possible d'effectuer, par le microprocesseur, des échantillons de mesure à une cadence déterminée et, par une reproduction de ces mesures sur un écran, d'afficher le dessin ou l'écriture. Puisqu'il existe une relation caractéristique entre la force appliquée sur l'électrode 7 et la résistance de la couche FSR, la mesure de la tension par le voltmètre entre l'électrode 7 et le potentiel de référence, contient l'information sur l'intensité de la force appliquée. Etant donné que cette mesure peut être effectuée simultanément avec la mesure des coordonnées du point d'application de la force, il est possible de moduler la représentation sur l'écran en fonction de cette force, par exemple par une modification de la couleur ou de l'épaisseur du trait. Le nombre, la position et les dimensions des électrodes connectées à la couche résistive 1 peuvent être optimisées par calcul numérique en fonction de l'application spécifique de la tablette digitalisante et de sa forme. L'électrode 7 peut également être connectée à la masse pour réaliser, en même temps, un blindage électromagnétique. Dans ce cas, le potentiel de référence des électrodes connectées à la surface résistive 1 est flottant et l'information sur l'intensité de la force est contenue dans la valeur du potentiel flottant par rapport à la masse. La figure 2 représente une variante avec une tablette digitalisante 21 de forme carrée. Cette tablette est de constitution identique à celle de la figure 1 et comporte une couche FSR prise en sandwich entre une couche résistive inférieure et une électrode supérieure. Cette structure comporte aux quatre coins, quatre électrodes 22, 23, 24, 25 pouvant, par exemple, avoir une forme en "t" épousant les coins de la tablette 21. Ces quatre électrodes 22, 23, 24, 25 sont respectivement reliées à travers des amplificateurs opérationnels 29, 30, 31, 32 à un convertisseur A/D 35 tout en créant une masse virtuelle aux électrodes. L'électrode symbolisée par la référence 27 de la tablette 21 est également reliée au convertisseur A/D 35 pour permettre de mesurer la tension de l'électrode superposée 27 en fonction de l'intensité de la force appliquée sur celle-ci.La référence 28 désigne une source de courant reliée à l'électrode 27 et au convertisseur A/D. Le fonctionnement est analogue au mode de réalisation de la figure 1. Les amplificateurs opérationnels 29 à 32 permettent la mesure des courants individuels aux électrodes par le convertisseur A/D et, par conséquent, la détermination des coordonnées x et y de la position d'application de la force dont l'intensité est mesurée simultanément par le convertisseur 35 en fonction de la tension sur l'électrode 27. Ce convertisseur fait partie d'un microprocesseur qui, en plus de sa tâche spécifique à l'application, calcule donc la position et l'intensité de la force à partir des tensions numérisées. En supposant qu'on applique une pression sur la tablette 21 proche du bord inférieur, approximativement au milieu entre les électrodes 22 et 23 et que l'on déplace le point d'application en direction de l'électrode 22, la courbe de la figure 2a représente les mesures de courant pour des différences de paires de tensions crées par le déplacement de ce point d'application de la force. De même, la figure 2b représente un graphique analogue lorsque la force est appliquée au centre de la tablette 21 et que le point d'application est déplacé vers la gauche entre les électrodes 22 et 25. Ces courbes montrent que les nonlinéarités des mesures sont très limitées, notamment à la périphérie de la tablette, de sorte que l'on peut utiliser plus de 90% de la surface active de celle-ci sans être trop sensible aux erreurs de mesure. Les figures 3 et 3a représentent un autre mode de réalisation d'une tablette digitalisante. Celle-ci est toutefois toujours constituée d'une couche FSR 40 prise en sandwich entre une couche résistive 41 et une électrode 50. La couche résistive 41, de forme carrée dans l'exemple représenté, à épaisseur constante et résistance spécifique constante est contactée aux bords par quatre zones 42, 43, 44, 45 à résistance électrique beaucoup plus faible que celle à couche résistive centrale 41. Ces zones ou bandes s'étendent entre quatre électrodes46, 47, 48 et 49 prévues aux quatre coins de la couche résistive. La couche FSR et l'électrode 50 ont la même forme et même surface que la couche résistive centrale 41. Comme dans le mode de réalisation précédent, le contact entre la couche résistive centrale 41 et l'électrode superposée 50 passe par l'effet FSR de la couche 40. L'une des électrodes, par exemple l'électrode 49, est toujours connectée à un potentiel élevé, tandis que l'électrode diagonalement opposée 47 est toujours connectée à un potentiel plus bas. Les deux autres électrodes diagonalement opposées 46 et 48 sont commutables par un commutateur respectivement entre le potentiel élevé et le potentiel plus faible et vice-versa. La commutation de ces électrodes est coordonnée de manière que lorsque l'une des électrodes est commutée sur le potentiel élevé, l'autre soit commutée automatiquement sur le potentiel faible. Par exemple, si l'électrode 46 est commutée sur le potentiel élevé de l'électrode 49, l'électrode 48 est commutée sur le potentiel faible de l'électrode 47.Dans ce cas on crée un gradient de tension quasi linéaire s'étendant dans la direction x entre les électrodes 46 et 49 d'une part, et les électrodes 47 et 48 d'autre part, ce qui permet, par conséquent, de déterminer l'abscisse au point d'application d'une pression localisée sur l'électrode- 50 ainsi que son déplacement dans la direction x; De manière analogue, si 1 'électrode 46 est commuté sur le potentiel faible de l'électrode 47 et l'électrode 48 sur le potentiel élevé de l'électrode 49 on établit un gradient de tension quasi linéaire dans la direction y, ce qui permet la mesure de l'ordonné du point d'application d'une force ainsi que son déplacement dans la direction y. Les mesures sont effectuées par la mesure du potentiel de l'électrode 50, étant donné que la surface de la couche FSR permet de transmettre à l'électrode superposée le potentiel qui existe à l'endroit d'application de la force sur l'électrode 50. Deux mesures successives du potentiel de cette électrode, en synchronisme avec la commutation des électrodes extérieures permettent ainsi de déterminer directement les coordonnées du point d'application de la force, aussi bien en direction x qu'en direction y et sans linéarisation. Le but de la présence des bandes extérieures 42, 43 44, 45 est d'améliorer la directivité des gradients de tension entre les couples d'électrodes. La surface FSR est, pour la gamme des forces utiles, plus résistive que la couche résistive centrale 41, ce qui permet la mesure de la résistance du contact FSR avec une précision suffisante. Puisqu'il existe une relation caractéristique entre la force appliquée et la résistance FSR, la mesure de la tension de l'électrode 50 contient l'information sur l'intensité de la force appliquée. L'avantage de ce mode de réalisation par rapport à ceux des figures 1 et 2, est que la détermination des coordonnées du point d'application d'une force est directe sans nécessité de calcul, ou de calibrage et sans nécessité de linéarisation. Par contre, ce mode de réalisation nécessite une commutation entre les deux mesures x et y. Les avantages des deux modes de réalisation précédents, notamment la présence d'une seule couche FSR, 1 l'absence d'usure de l'électrode 50 au contact de la surface rugueuse du FSR, par suite de sa nature métallique et de sa résistance à l'usure, ainsi que l'absence de problèmes de court-circuit et d'irrégularités de mesures posés par des imperfections de peignes d'électrodes se retrouvent également dans le mode de réalisation de la figure 3. REVENDICATIONS 1. Tablette digitalisante, caractérisée par une structure de forme quelconque, constituée d'une couche FSR (8) prise en sandwich entre une couche résistive (1) et une couche conductrice (7) par au moins deux électrodes (2), (3), (4), (5), (6) en contact avec le bord de la couche résistive (1) à des endroits distincts, et reliées, chacune, à un potentiel électrique à travers un dispositif (11), (12), (13), (14) de mesure de courant, par une source de courant (9) reliée à la couche conductrice (7) et par un dispositif (15) de mesure de la tension électrique entre la couche conductrice (7) et ledit potentiel. 2. Tablette selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite structure possède une forme polygonale et en ce que lesdites électrodes sont prévues à chaque coin. 3. Tablette selon la revendication 2, caractérisée en ce que ladite structure possède une forme carrée. 4. Tablette selon la revendication 3, caractérisée en ce que chaque électrode (22), (23), (24), (25) est reliée à un convertisseur A/D (35) à travers un amplificateur opérationnel (29), (30), (31), (32). 5. Tablette digitalisante caractérisée en ce qu'elle comporte une structure carrée ou rectangulaire constituée d'une couche FSR (40) prise en sandwich entre une couche résistive (41) et une couche conductrice (50) avec quatre électrodes (46), (47), (48), (49) aux quatre coins de la couche résistive (41) et quatre bandes sur les quatre côtés de la couche résistive (41) s'étendant entre les quatre électrodes (46), (47), (48), (49), en ce que la résistance électrique de ces bandes est plus faible que celle de la couche résistive centrale (41), en ce que l'une des électrodes (49) est connectée à un potentiel électrique élevé et l'électrode diagonalement opsosée (47) à-un potentiel électrique plus bas et en ce que les deux autres électrodes (46), (48) sont commutables, l'une entre le potentiel élevé et le potentiel plus bas, l'autre entre le potentiel plus bas et le potentiel élevé et vice-versa. 6. Tablette selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la couche FSR (8), (40) est une couche indépendante. 7. Tablette selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la couche FSR (8), (40) est formée directement sur la couche résistive (1), (41). 8. Tablette selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la couche FSR (8), (40), est formée directement sur la couche conductrice (7), (50). 9. Tablette selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la couche conductrice est une électrode métallique avec une bonne résistance superficielle à l'usure.