Brevet FR2702292A1 — publié le 19940909

La présente invention est du domaine des organes d'entrée manuelle directifs dans deux dimensions tels qu'on les trouve dans les dispositifs de pointeurs sur écrans d'ordinateurs. Outre les tablettes graphiques, on connait des dispositifs variés se substituant à une souris permettant de déplacer un curseur sur un écran d'ordinateur à partir d'un dispositif à poste fixe. Telle est la boule de contrôle ou souris renversée où la rotation de la boule se traduit par un déplacement synchrone du curseur sur l'écran. D'autres dispositifs mécaniquement plus simples commandent un curseur en vitesse et direction de déplacement, ils comportent un corps mobile, plaque, petit levier ou touche de clavier qui actionne des capteurs de rotation, de déplacement ou de pression sous la pression du doigt ou de la main de l'opérateur.Ces diverses solutions font appel à un montage mécanique difficilement fiable, en particulier en ce qui concerne la position d'arrêt du curseur, ils sont sensibles aux environnements sévères: poussières, variations de température, vibrations, etc. Ces inconvénients mécaniques sont évités dans les dispositifs purement statiques où le doigt de l'opérateur se déplace en contact avec la surface d'un capteur capacitif fixé au boitier tel qu'il est décrit dans la demande de Brevet PCT WO 90/16045. Cependant, dans de tels dispositifs faisant ordinairement appel à une détection de phase, un équilibrage rigoureux des capacités du capteur et des circuits de détection élaborés rendent le système assez difficile à réaliser. en outre les géométries d'électrodes utilisées ne permettent pas d'assurer une bonne concordance entre la direction de déplacement du doigt sur la surface du capteur et la direction de déplacement du curseur lorsque le doigt s'éloigne du centre vers un point quelconque de la périphérie du capteur. La présente invention remédie à ces inconvénients en utilisant comme organe d'entrée tactile, ou capteur, une surface conductrice isolée quadripolaire où chaque électrode associée avec un quadrant donné dépasse notablement sur les deux quadrants voisins sans se superposer: chaque quadrant étant défini comme l'espace de la surface du capteur s'étendant sur 45 degrés de part et d'autre des directions principales orthogonales, axes de sortie des quatre électrodes. Cette disposition permet de conserver le meme rapport des surfaces de contact entre le bout du doigt de l'opérateur et deux électrodes adjacentes tout en conservant des surfaces qui augmentent lorsque le doigt s'éloigne du centre du capteur en glissant dans une direction donnée, quelque soit cette direction.Il s'ensuit que les signaux issus des électrodes considérées croissent avec le mouvement du doigt du centre du capteur vers une direction de sa périphérie, tout en gardant un rapport constant, ce qui se traduira par un déplacement accéléré du curseur sur l'écran selon la même direction. La surface active du capteur sera un disque de diamètre environ trois fois le diamètre de la surface de contact du doigt, soit environ trois centimètres, dont le centre est dépourvu de conducteur. Chacune des électrodes forme un condensateur de faible capacité avec la masse du circuit électronique associé par l'intermédiaire de la capacité existant entre l'opérateur et la masse du circuit.Bien que faible, cette capacité est suffisante pour qu'un amplificateur différentiel commandé en courant, excité par un courant Haute Fréquence et détectant les variations d'amplitude, soit sensible aux variations de cette capacité lorsque le doigt de l'opérateur se déplace sur les électrodes du capteur. Un autre objet de la présente invention est d'apporter une détection tout à fait fiable de cette variation d'amplitude qui évite tout problème de zéro et ne nécessite pas un équilibrage rigoureux des capacités du système. Ceci sera réalisé en conservant une tension de repos non critique de un à deux volts en sortie des amplificateurs et en utilisant un programme informatique spécifique dans le microprocesseur associé qui observe ce niveau de tension périodiquement en permanence et le met en mémoire temporaire. Ce sont ces niveaux qui, à partir de petits accroissements positifs et négatifs programmés, désignent les seuils à partir desquels un signal issu du déplacement du doigt sera reconnu et traduit en mouvement du curseur Ainsi les seuils seront détectés à la mise sous tension du système et mis à jour en permanence, éventuellement toutes les secondes lorsque le curseur est au repos.La position de repos du curseur sera donc stable quelque soit le déséquilibre initial des capacités et la dérive des composants électroniques dans le temps en raison des contraintes d'environnement telles que humidité, température, vibrations, salissures, etc. Le programme ainsi défini reste de faible taille, de l'ordre de 500 octets, il pourra aisément être incorporé dans le microprocesseur qui contrôle ordinairement le clavier de l'ordinateur associé, ceci resultera en un dispositif particulièrement économique, surtout lorsque le capteur sera implanté directement sur le pupitre du clavier. Une reconnaissance visuelle et tactile du centre du capteur sera également utile; dans une réalisation préférée de l'invention une lampe electroluminescente de faible diamètre dont le dôme plastique émerge au ras de la surface matérialise le centre du capteur tout en indiquant que le dispositif est sous tension. De manière plus simple, le centre du capteur pourra être reconnu par la présence d'un creux ou d'une petite bosse de environ lmm de haut qui devra être constituée d'une matière non conductrice pour conserver la progressivité des capacités lorsque le doigt s'éloigne du centre. La Figure 1 illustre une première géométrie des électrodes selon l'invention, vue de dessus et en coupe. La Figure 2 illustre une deuxième géométrie des électrodes selon l'invention, vue de dessus. La Figure 3 illustre les fonctions de l'électronique associée au capteur. La Figure 4 présente un diagramme général du programme de traitement du signal. La Figure 5 illustre trois implantations du dispositif: - a / dans un boitier autonome mais associable avec un clavier, - b / sur le pupitre d'un clavier, - c / associé à un micro-ordinateur portable. Dans une première implantation du capteur selon l'invention, la surface conductrice isolée quadripolaire définie précédemment est illustrée en Figure 1, les quatre électrodes sont formées dans la même surface conductrice plane ou faiblement sphérique ayant approximativement l'aspect d'un disque de 3 cm de diamètre. Ce sera par exemple une portion de circuit imprimé à simple face métallisée recouvert d'un isolant de faible épaisseur. Les électrodes sont symétriques deux à deux par rapport au centre du capteur telles que 11 et 13 d'une part, 12 et 14 d'autre part, les axes X'OX et Y'OY des paires d'électrodes étant orthogonaux et homologues des axes horizontaux et verticaux de l'écran de l'ordinateur associé.Chacune des électrodes, telle que 13 est constituée d'une série de croissants s'étendant sur près de 90 degrés de part et d'autre de l'axe OY de l'électrode considérée, à laquelle ils sont reliés à l'endroit de leur plus grande largeur. Chaque demi-croissant tel que 15 est imbriqué entre deux demi-croissants 16, 17 de l'électrode adjacente 12, il s'en suit que chaque électrode 11 associée à une direction principale OY' dépasse de manière significative 18, 19 sur les deux quadrants adjacents. La forme précise des croissants est telle que pour une direction de déplacement du doigt quelconque à partir du centre, soit OP, le rapport des largeurs des croissants rencontrés tel que AB / CD soit égal à la tangente de l'angle XOP définissant la direction de déplacement du curseur. En particulier lorsque cette direction fait un angle XOQ = 45 avec l'axe principal OX, les largeurs des croissants rencontrés par le doigt de l'opérateur sont égales. La forme précise des électrodes sera aisément déterminée à partir de la définition ci-dessus par une méthode graphique connue d'approximations successives. En première approximation les signaux en X et en Y issus des amplificateurs 31 et 32, c'est à dire les accroissements de leur tension de sortie, seront proportionnels à l'augmentation de capacité entre les électrodes et la masse, donc également proportionnels aux variations des surfaces des électrodes recouvertes par le doigt de l'opérateur, elles mêmes sensiblement proportionnelles aux largeurs des croissants recouverts. Cette approximation est d'autant meilleure que les croissants seront de faible largeur et en grand nombre, de telle sorte qu'un faible déplacement du doigt affecte simultanément plusieurs croissants appartenant à des électrodes voisines. Pour simplifier la Figure 1, seulement deux croissants par électrode sont représentés alors qu'il faudra en implanter au moins quatre et conserver des intervalles faibles entre les croissants relativement à leur largeur, ce qui suppose une bonne finesse de gravure des conducteurs. Néanmoins cette géométrie assure une réponse angulaire précise et, ne nécessitant aucun croisement de conducteurs, permet une implantation facile. L'épaisseur de l'isolant externe 10 du capteur est faible, quelque dixièmes de millimètre, afin que d'une part le signal soit suffisant, et que d'autre part l'influence du doigt de l'opérateur cesse dés qu'il quitte la surface du capteur. Dans une deuxième réalisation du capteur selon l'invention, la surface conductrice quadripolaire est représentée en Figure 2 Cette géométrie permet également d'obtenir le rapport constant des surfaces de deux électrodes voisines couvertes par le doigt de l'opérateur lorsqu'il se déplace à partir du centre du capteur dans une direction fixée quelconque, ceci avec une réalisation simple des conducteurs demandant moins de finesse de gravure que dans la réalisation précédente. Les électrodes peuvent être gravées sur un circuit imprimé monocouche en ajoutant quatre passages de croisement de conducteurs à la périphérie du capteur, à l'extérieur de la zône sensible.La géométrie de chaque électrode est constituée pour une part d'un secteur 23 suivant un axe principal Oy dont le sommet se trouve sur le cercle définissant la zône centrale dépourvue de conducteurs où le doigt de l'opérateur peut se poser en maintenant le curseur à l'arrêt, ce secteur ne s'étendant que de environ 20 degrés de part et d'autre de l'axe principal Oy. Deux secteurs plus étroits, de environ 10 degrés chacun et dont les sommets sont sur le même cercle central s'insèrent entre chaque secteur principal. Chaque petit secteur est relié électriquement au grand secteur qui se trouve adjacent au petit secteur qui lui est voisin, ainsi 26 est relié à 23 et 25 à 22, Il s'ensuit que chacune des quatre électrodes est constituée de trois secteurs tels que 28-23-26 pour l'électrode selon l'axe Oy.En outre chaque petit secteur présente une encoche triangulaire 27 de la largeur de sa base qui permet d'affiner l'approximation du rapport constant des surfaces défini ci-dessus, en particulier l'approximation est bonne lorsque le sommet de l'encoche se trouve à mi-distance entre le cercle central et le cercle périphérique du capteur. Dans l'implantation préférée de l'invention, Le centre du capteur 29 est matérialisé par l'affleurement du dôme plastique d'une diode électroluminescente de 3 mm de diamètre apportant ainsi une indication visuelle et tactile servant de repere pour la commande de direction de déplacement du curseur. Dans une implantation simplifiée, le centre 29 pourrait être matérialisé par un creux ou une bosse de environ 1 mm de haut et 3 mm de diamètre pratiqué dans la matière isolante du centre, dans tous les cas les conducteurs sont recouverts d'un isolant de bonne résistance au frottement et de faible épaisseur 10, de l'ordre de 0,2 mm. La Figure 3 schématise l'électronique associée au capteur qui ne comporte que des circuits simples, réalisables avec les circuits intégrés standard du commerce sans aucun ajustement des composants. Les 4 électrodes du capteur 30 sont directement reliées aux entrées des amplificateurs 31 et 32 commandés en courant. Un courant Haute Fréquence d'excitation est envoyé de manière égale dans les entrées résistives R1 des amplificateurs différentiels, une fraction en sera dérivée vers la masse à travers les capacités des électrodes du capteur et toute variation d'une de ces capacités résultera en une variation du courant Haute Fréquence à l'entrée correspondante d'un amplificateur. Il en résultera une variation du niveau moyen de sortie. Au repos, la tension de sortie des amplificateur, après un simple filtrage R4-Cl, est voisine de 1,5 volt, ce qui est obtenu par une combinaison des amplitudes du courant d'excitation et du courant amené par les résistances R2 et R3. Cette tension de repos n'est pas critique, elle est intermédiaire entre la masse et la tension de référence du convertisseur analogique / digital 34 dont l'oscillateur interne sert aussi à exciter les entrées 33 des amplificateurs à une fréquence de l'ordre du mégahertz. Les niveaux de sortie digitalisés sont alors adressés au bus du microprocesseur 35 qui effectue le traitement du signal, ce microprocesseur pouvant faire partie du dispositif ou être celui qui contrôle le clavier de l'ordinateur associé 36. La Figure 4 montre le diagramme général du programme enregistré dans la mémoire du microprocesseur qui effectue le traitement du signal. Selon l'invention, la détection des niveaux en X et en Y est affectée à la mise en mémoire des seuils à partir desquels le programme génère les signaux, typiquement en quadrature, qui seront envoyés à l'ordinateur associé pour déclancher une avance du curseur sur son écran. Cette détection des seuils est effectuée au départ du programme lors de la mise sous tension du système après un temps d'attente de quelques secondes, ainsi que périodiquement après comptage d'un nombre N programmable de cycles d'attente, soit typiquement toutes les secondes lorsque le curseur est à l'arrêt. Les seuils de declanchement des avances du curseur sont déterminés par le programme comme étant les amplitudes des signaux en X et en Y au repos augmentées ou diminuées d'un accroissement programme selon qu'il s'agit d'un seuil haut ou d'un seuil bas. Cet accroissement peut être faible en raison de l'autoadaptation du système aux variations du niveau de repos, ce qui permet de conserver toute la dynamique des variations operationnelles des capacités du capteur. Des réalisations possibles du dispositif selon l'invention sont illustrées par la figure 5. En 5.a un module autonome abrite le capteur et les boutons "click" de contrôle 51 ordinairement trouvés sur les souris, ainsi que les amplificateurs et éventuellement les circuits de traitement du signal. Ce module possède préférablement à proximité de la main de l'opérateur, mais en retrait du capteur, une métallisation interne ou externe 52 reliée à la masse du circuit des amplificateurs qui évitera une variation significative de capacité due à un déplacement important de l'opérateur qui se traduirait par une variation de la vitesse du curseur. Cependant une telle variation de capacité se répercuterait également sur les quatre électrodes du capteur et ne changerait pas la direction de déplacement du curseur.Le module est représenté enfichable à droite ou à gauche d'un clavier pour convenir à un opérateur droitier ou gaucher. La figure 5-b illustre un autre exemple d'application où le capteur est directement implanté sur le pupitre du clavier de l'ordinateur à côté des touches ordinaires de déplacement du curseur. Le programme de traitement du signal sera alors effectué de préférence dans le microprocesseur du clavier et le coût additionnel sera très faible. Cette disposition est particulièrement bien adaptée aux claviers étanches. La figure 4.c montre une implantation du dispositif sur une tablette escamotable 54 dans le boitier d'un microordinateur portable, ici les touches "click" de souris se trouvent sur le même bord du clavier dont elles font partie. De nombreuses autres implantations du capteur dans des systèmes informatiques sont possibles et restent du domaine de l'invention. D'autres applications du dispositif sont envisageables toutes les fois qu'il est question de commande à distance d'un mouvement en vitesse et en direction d'un curseur ou de tout autre mobile sur une surface. REVENDICATIONS 1 / Dispositif de pointage par lequel le glissement du bout du doigt d'un opérateur sur la surface d'un capteur capacitif commande le mouvement d'un curseur, lequel capteur consiste en une surface conductrice isolée quadripolaire où les quatre électrodes, 11, 12, 13, 14, recevant chacune la même excitation haute fréquence, sont disposées par paires opposées autour de son centre O selon les axes principaux associés aux directions Gauche-Droite,Bas-Haut du mouvement du curseur, caractérisé en ce que chaque électrode est constituée d'un ensemble de branches isolées s'étendant symétriquement par rapport à l'axe de la connexion de la dite électrode, ces multiples branches s'imbriquant entre les branches des deux électrodes adjacentes de telle manière que le rapport des surfaces de ces électrodes couvertes par le bout du doigt d'un opérateur glissant sur la surface du dispositif du centre vers un point de sa périphérie reste constant et égal à la tangente de l'angle azimutal de ce déplacement compris entre l'axe principal OX et la direction du déplacement du bout du doigt, alors que chacune de ces dites surfaces vont en croissant; chaque paire d'électrodes étant directement reliée aux bornes d'entrée d'un amplificateur différentiel polarisé de telle manière que le placement du doigt sur une électrode se traduise par une variation de l'amplitude de sa tension de sortie. 2 / Dispositif de pointage selon 1 caractérisé en ce que chaque électrode du capteur est constituée d' une série de croissants reliés par un axe central, imbriqués entre ceux des électrodes voisines pour former un ensemble ayant pour axes de symétrie les axes des électrodes, une zône centrale circulaire étant dépourvue de conducteur. 3 / Dispositif de pointage selon 1 caractérisé en ce que chaque électrode du capteur est constituée d'un secteur principal 23 situé selon un axe principal OY et de au moins deux secteurs secondaires 26, 29, selon des axes intermédiaires situés dans les quadrants adjacents, les sommets de ces secteurs se trouvant sur la périphérie d'une zône centrale circulaire dépourvue de conducteur. 4 / Dispositif de pointage selon 1 à 3, caractérisé en ce que les quatre électrodes du capteur sont directement reliées à l'entrée des deux amplificateurs différentiels 31, 32, lesquelles entrées sont également excitées à travers les résistances Ri par une oscillation haute fréquence unique et constante d'amplitude suffisante pour être écrêtée à l'entrée des amplificateurs, ceux-ci étant polarisés à travers les résistances R2 sans qu'il soit requis d'aucun ajustement des composants du circuit, de telle manière que la tension de sortie, filtrée par R4-C1, se trouve dans une zône intermédiaire entre la masse et la tension de référence du convertisseur analogique-digital qui effectue la liaison entre les amplificateurs et le microprocesseur associé 35. 5 / Dispositif de pointage selon 1 à 4, caractérisé en ce que le programme du microprocesseur 35 met en mémoire les niveaux de sortie digitalisés des amplificateurs 31, 32 à la mise sous tension du système après un délai pouvant atteindre plusieurs secondes, et ensuite après des intervalles de nombres de cycles programmés durant lesquels les niveaux de sortie des amplificateurs ont peu varié . Ces niveaux augmentés ou diminués d'un accroissement programmé servant de seuils hauts et bas à partir desquels le microprocesseur enverra des signaux qui feront avancer le curseur sur l'écran de l'ordinateur associé 36. 6 / Dispositif de pointage selon 1 à 5, caractérisé en ce que le dôme plastique d'une lampe de quelques millimètres de diamètre du genre diode electroluminescente 29 affleure au centre de la surface du capteur. 7 / Dispositif de pointage selon 1 à 5, caractérisé en ce que un creux de quelques millimètre de diamètre indique le centre du capteur 8 / Dispositif de pointage selon 1 à 5, caractérisé en ce que une bosse non conductrice s'étendant sur quelques millimètre de diamètre et de environ 1 mm de haut indique le centre du capteur. 9 / Dispositif de pointage selon 1 à 8, caractérisé en ce que le boitier comporte une surface métallisée 52 à proximité de la main de l'opérateur, mais en retrait du capteur et reliée à la masse du circuit des amplificateurs. 10 / Dispositif de pointage selon 1 à 9, caractérisé en ce qu il est implanté dans une plaque escamotable 54 dans le boitier d'un micro-ordinateur portable sur un côté où il forme une extension rigide en position tirée.