Brevet FR2718266A1 — publié le 19951006

La présente invention concerne les dispositifs dénommés plages tactiles. Ces dispositifs, construits pour les aveugles, sont constitués par une surface plane dans laquelle sont percés des trous, disposés en un réseau régulier de lignes et de colonnes, à travers lesquels on peut faire apparaitre des points en relief, représentant par exemple des caractères Braille. Dans les plages tactiles actuellement utilisées, chaque point est muni d'un moteur qui lui est propre, soit électro-magnétique soit piézo-électrique. Lorsque la plage tactile ne comporte qu'un petit nombre de lignes de points, par exemple 3 ou 4 pour une ligne unique de caractères Braille, les moteurs peuvent être disposés horizontalement afin de réduire l'encombrement en hauteur de la plage tactile, comme décrit dans le Brevet Français No 8 408 143. L'encombrement horizontal de cette disposition interdit la juxtaposition de plus de deux lignes de caractères Braille. Si on veut construire une plage tactile comportant plus de quelques lignes de points, par exemple plus de deux lignes de caractères Braille, il est nécessaire de placer chaque moteur sous le point qu'il actionne, afin que son encombrement horizontal soit compatible avec l'espacement des points en relief, comme décrit également dans le Brevet Français No 8 408 143. Dans ce cas, l'épaisseur de la plage tactile est nettement plus grande en raison de l'encombrement vertical des moteurs. Outre les problèmes d'encombrement indiqués ci-dessus, le prix de ces plages tactiles est élevé en raison du coût unitaire des moteurs utilisés et des nombreux composants mécaniques et électroniques nécessaires a leur fonctionnement. Ce prix rend leur acquisition difficile par la majorité des utilisateurs, dès qu'elles comportent plus de quelques dizaines de caractères Braille. Dans la présente invention, les points tactiles sont actionnés par des fils contractiles, fabriqués en utilisant un alliage dit a mémoire de forme. De tels fils, en alliage nickel-titane par exemple, sont commercialement disponibles depuis quelques années. Ces fils possèdent la propriété de se contracter de façon a retrouver leur forme initiale si, apres avoir été modérement étirés a froid, ils sont portés a une température dite de transition, température à laquelle se produit un changement de la structure interne de l'alliage nickel-titane qui fait retrouver au fil sa forme, donc sa longueur initiale. 2 - Alors qu'ils sont facilement déformés a froid, ils possèdent a chaud un module d'élasticité et une résilience elevés, ce qui leur permet d'effectuer un travail mécanique considérable eu égard a leur volume lors de leur contraction, qui ressemble a celle d'une fibre musculaire. Par exemple, un fil en alliage Ni-Ti d'un diamètre de 0.1 'mm, s'il a été étiré à froid dans les limites permises, peut exercer une force de traction d'au moins 150 grammes lors de son retour à sa longueur initiale. La force nécessaire pour l'étirer est d'environ 28 grammes. Elle est pratiquement constante pendant tout l'etirement. L'étirement relatif ne doit pas dépasser 3 pour cent pour pouvoir obtenir un nombre élevé de cycles étirement-contraction de façon reproductible. Selon la composition de l'alliage, la température de transition d'un alliage Ni-Ti se situe de 70 a 90 degrés centigrades. Il est facile de porter le fil a sa température de transition en y faisant passer un courant électrique d'intensité et de durée convenables. L'utilisation de fils contractiles a deja été proposée, par exemple dans le Brevet USA No 5,165,897. Dans ce Brevet, le point tactile est situé à une extrémité d'une lame cantilever horizontale dont l'autre extrémité est fixée a un support convenable. Une extrémité du fil contractile est attachée à la lame au voisinage du point tactile, l'autre au support. Lorsqu'un courant électrique d'intensité convenable est envoyé dans le fil, il se contracte et souleve le point tactile. Tant que le courant électrique est maintenu, le point reste en position haute. Si le courant est coupé, la lame exerce sur le fil une traction qui l'étire dès qu'il est refroidi, ce qui permet à la lame et au point tactile de revenir à leur position basse. Cette solution possède deux inconvénients. D'une part la consommation d'énergie électrique est élevée car il faut maintenir le courant pour tous les points tactiles en position haute. D'autre part, l'encombrement horizontal de la lame cantilever limite le nombre de lignes de points tactiles, comme dans le cas d'un moteur à lame piézo-électrique horizontale. Cette solution n'a donné lieu, à notre connaissance, à aucune réalisation expérimentale ou commerciale. Une autre solution, utilisant des fils contractiles, a été décrite dans le document intitulé " Electronic Braille Output Device ", publié aux USA dans le cadre du contrat NIH No 2 R44 EY06512-02 de Février 1990. - 2718266 - 3 - Cette solution,.qui met en oeuvre un fil contractile vertical et un dispositif de verrouillage mécanique des points tactiles en position basse, ne nécessite l'envoi d'une impulsion de courant électrique dans le fil que pour la durée nécessaire à faire passer le point de sa position haute, o il est initialement maintenu par un ressort de rappel, à sa position basse o il sera maintenu par le dispositif de verrouillage mécanique après la coupure du courant dans le fil. Cependant elle possède l'inconvénient d'un encombrement vertical aussi important que dans le cas d'un moteur a lame piézo- électrique verticale, et nécessite un dispositif de déverrouillage de l'ensemble des points tactiles pour les ramener tous à la même position initiale haute, avant d'amener en position basse les points correspondant au nouveau message tactile désiré. Cette dernière solution a donné lieu à la construction d'un prototype mais n'a pas été industrialisée. L'objet de la présente invention, est d'éliminer les inconvénients des dispositifs connus en permettant la construction de plage tactiles possédant les caractéristiques suivantes: - faible encombrement vertical disposition des éléments dans le plan horizontal permettant la juxtaposition d'autant de points que nécessaire pour l'utilisation choisie, par exemple plusieurs lignes de caractères Braille ou plage tactile graphique constituée de points tactiles disposés en réseau régulier - aucune consommation d'énergie lorsque la position verticale haute ou basse des points tactiles ne change pas. Un exemple de réalisation conforme à la présente invention, est représenté sur les figures 1 a 11. La figure 1 représente une vue en élévation de l'ensemble des éléments nécessaires au fonctionnement d'un des points d'une plage tactile conforme à la présente invention. Une tige verticale (1) peut se déplacer parallèlement à son axe, à travers deux ouvertures (2) et (3) ménagées dans deux plaques horizontales (4) et (5). Deux courtes tiges verticales (6) et (7) sont montées entre les plaques (4) et (5), de façon à ce que leurs queues (8), de diamètre plus faible que leur corps central, pénètrent dans des trous percés respectivement dans les plaques (4) et (5) en deux positions symétriques par rapport à l'axe de la tige (1). La longueur de leur corps central détermine la distance verticale entre les plaques (4) et (5). - 4 - Un ressort de torsion plat et de forme circulaire (11), est monté de façon à etre comprime entre la tige (1) et la tige (6), en insérant ses extrémités rectilignes respectivement dans un trou percé dans la tige (6) perpendiculairement à son axe, et'dans un5 trou percé dans la tige (1) perpendiculairement à son axe. Le ressort (11) est maintenu contre les tiges (6) et (1) par sa tendance naturelle à retrouver sa forme libre initiale en raison de l'angle ouvert d'environ 40 degrés que forment ses extrémites rectilignes. Un second ressort de torsion de forme identique (14), est monté de façon à etre comprimé entre les tiges (1) et (7), en insérant ses extrémités rectilignes respectivement dans un trou percé dans la tige (7) perpendiculairement à son axe, et dans le trou percé dans la tige (1), en sens opposé au ressort (11). Le ressort (14) est également maintenu contre les tiges (7) et (1) par sa tendance naturelle à retrouver sa forme libre initiale. La composante verticale des forces qu'appliquent à la tige (1) les ressorts (11) et (14) s'annule lorsque l'axe du trou percé dans la tige (1) est sensiblement dans le plan horizontal contenant les axes des trous percés dans les tiges (6) et (7). Elle est dirigée vers le haut lorsque l'axe du trou percé dans la tige (1) est au dessus de ce plan, et vers le bas lorsqu'il est au dessous de ce plan. De ce fait, l'ensemble constitué par la tige (1) et les ressorts (11) et (14) possède deux positions stables, l'une haute lorsque les ressorts (11) et (14) viennent en appui contre la plaque supérieure (4) comme sur la figure 5, l'autre basse lorque ces ressorts viennent en appui contre la plaque inférieure (5) comme sur la figure 4. La distance verticale parcourue entre ces deux positions est déterminée par la distance entre les plaques (4) et (5), et par l'épaisseur des ressorts (11) et (14). L'ensemble constitué par les ressorts (11) et (14), et leur fixations constitue un dispositif de rappel élastique bistable qui est un des éléments caractéristiques d'un élément tactile conforme à la présente invention. Un point tactile vertical (16) est fixé élastiquement à l'extrémité supérieure de la tige (1). Cette fixation élastique est constituée par une courte tige horizontale (17) qui traverse un40 trou percé radialement dans l'extrémité supérieure de la tige (1), et deux fentes verticales (18) creusées dans les parois d'un logement cylindrique vertical (9) ménagé dans la partie inférieure du point (16). Un ressort (19) est de cette façon maintenu légèrement comprime entre le fond supérieur du logement (9) et45 l'extrémité supérieure de la tige (1). - Si une pression est exercée verticalement sur le sommet du point (16), le point descend en comprimant le ressort (19) sans que la tige (1) ne bouge, tant que la force de compression du ressort (19) est inférieure à la somme des composantes verticales des forces 5 qu'appliquent à la tige (1) les ressorts (11) et (14) en butée haute. Les caractéristiques respectives des ressorts sont choisies de façon à ce que cette -condition soit respectée tant que le ressort (19) n'est pas en fin de course, ce qui ne peut pas se produire si le point (16) est poussé naturellement par la pression des doigts de l'utilisateur. Le point tactile (16) peut se déplacer verticalement dans un trou percé dans une plaque horizontale (21) qui constitue la surface de lecture tactile. Lorsque l'ensemble mobile constitué par la tige (1), le point (16), la tige (17) et les ressorts (11), (14) et (19) est en position haute, le point tactile dépasse au dessus de la surface de la plaque (21) de la quantité voulue soit environ 0.7 mm. Lorsque cet ensemble mobile est en posistion basse, le sommet du point (16) affleure ou se trouve sous la surface de la plaque (21). Les diamètres des tiges (6) et (7), de la tige (1) et du corps circulaire des ressorts (11) et (14) sont choisis de façon à pouvoir construire un réseau de points tactiles régulier comme indiqué figure 7, sans que les ressorts ne touchent les tiges25 auxquelles ils ne sont pas fixes, pour que les différents ensembles mobiles puissent se déplacer verticalement librement et indépendemment les uns des autres. Dans un tel réseau, les tiges fixes situées a mi-distance entre deux tiges mobiles supportent deux ressorts (11) et (14). Le pas carré d'un tel réseau est30 typiquement d'environ 2.5 mm. Le passage de l'ensemble mobile de sa position haute à sa position basse ou vice-versa est obtenu par l'action de deux fils contractiles disposés symétriquement, respectivement au dessus de la plaque (4) et au dessous de la plaque (5). Un premier fil contractile (22) est fixé par ses extrémités à deux oeillets (23) et (24), insérés dans des trous metallisés percés dans une plaque horizontale (25) symétriquement par rapport à l'axe d'un trou traversé par la tige (1). Ce fil passe dans une fente (27) creusée dans la partie supérieure de la tige (1) de façon à ce que sa partie centrale repose sur le fond horizontal de la fente. La longueur de ce fil est telle que lorsque la tige (1) est en position haute, cette longueur corresponde à l'état froid étiré du fil, et que lorque la tige (1) est en position basse, cette longueur corresponde à l'état chaud contracté du fil, la longueur froide ne dépassant pas la longueur chaude de plus de 3 pour cent. -6- Un second fil contractile (28) est fixé par ses extrémités à deux oeillets (29) et (30), insérés dans des trous metallisés percés dans une plaque horizontale (31) symétriquement par rapport à l'axe d'un trou traversé par la tige (1). Ce fil passe dans une fente 33 5 creusée dans la partie inférieure de la tige.(1) de façon à ce que le fond de la fente repose sur la partie centrale du fil (28). Sa longueur est la même que celle du fil (22). Lorsque la tige L'ensemble constitué par les fils (22) et (28) constitue un dispositif d'actionnement de type va-et-vient également caractéristique d'un élément tactile conforme à la présente invention. Le déplacement de l'ensemble mobile, donc du point tactile, d'une position a la position opposée est obtenu en envoyant une impulsion de courant électrique d'intensité et durée convenables dans le fil du haut si le point est initialement haut, et réciproquement. Le passage du courant dans le fil (22) est controlè par un transistor (40) placé entre les plaques (4) et (25), comme indiqué figure 1. Les broches base et émetteur de ce transistor sont soudées dans des trous métallisés percés dans la plaque (25), sa broche collecteur est soudée dans un trou métallisé percé dans la plaque25 (4). Le passage du courant dans le fil (28) est controlé par un transistor (41) placé entre les plaques (5) et (31) comme indiqué figure 1. Les broches base et émetteur de ce transistor sont soudées dans des trous métallisés percés dans la plaque (31), sa broché collecteur est soudée dans un trou métallisé percé dans la plaque (5). La figure 2 représente une vue en plan des éléments de la figure 1 à l'exception de toutes les plaques, du point (16) et des pièces qui le fixent à la tige (1). La figure 3 représente une vue de la fixation du point (16) à la tige (1) perpendiculaire à la vue de la figure 1. Sur les figures 1, 4 et 5, les plaques sont coupées selon une surface verticale passant de gauche à droite par l'axe des oeillets (23) et (29), puis les axes des pastilles métallisées contenant les broches des transistors, l'axe de la tige (6), l'axe de la tige (1), l'axe de la tige (7) et enfin l'axe des oeillets (24) et (30). Le point (16) et-la tige (1) sont coupés par un plan vertical passant par leur axe commun. -7- L'ensemble des plaques (4), (25) et des transistors fixes entre elles constitue un sandwich utilisé comme une plaque unique pour la fixation des oeillets (23) et (24) qui traversent l'ensemble. Il en est de même pour les plaques (5), (31), les transistors fixes entre elles et les oeillets (29) et (30). La disposition des fils au dessus de la plaque (25) est indiquée sur la figure 6 pour un réseau régulier de points tactiles. La disposition des transistors entre les tiges (1) et les oeillets est indiquée sur la figure 6 pour un réseau régulier de points tactiles. Les différents éléments des forces verticales mises en jeu lors du déplacement de la tige (1) sont représentés sur les figures 8 à 10. Les forces sont portées en abscisse et les positions verticales en ordonnée. Les forces dirigées vers le haut sont comptées positives. L'origine correspond à la position neutre de l'ensemble mobile, à égale distance des positions haute et basse. La ligne en tirets représente la somme des composantes verticales des forces exercées par les ressorts (11), (14) et (19) de la figure 1. Lorsqu'aucune pression n'est exercée sur le point (16), ses valeurs sont de même grandeur et de signe opposé pour deux positions de l'ensemble mobile symétriques par rapport à l'origine. La ligne en points-tirets représente la composante verticale de la force nécessaire pour compenser les couples de frottement générés lors de la rotation des queues des ressorts de torsion dans leurs trous de maintien respectifs dans la tige (1) et les tiges (6) et (7). La ligne en pointillés représente la composante verticale de la force d'étirement du fil froid. La ligne droite en trait plein représente la somme de toutes ces composantes verticales. La ligne incurvée en trait plein représente la traction subie par le fil chauffé pour que sa composante verticale soit égale et opposée à la somme précédente. Elle est indiquée positive lors d'une contraction du fil inférieur (28), négative lors d'une contraction du fil supérieur. La figure 8 représente les forces mises en jeu lors de la descente du point tactile si aucune pression n'est exercée sur lui. - 8 - Les forces mises en jeu sont de même grandeur et de signe contraire lors de la montée du point tactile dans les mêmes conditions. La traction maximum demandée aux fils dans ce cas est d'environ 100 grammes. La figure 9 représente les forces mises en jeu lors de la descente de la tige (1) si le point est maintenu enfoncé de façon que le ressort (19) soit initialement comprimé au maximum de sa course. La figure 10 représente les forces mises en jeu lors de la montée de la tige (1) dans les mêmes conditions. La traction maximum demandée au fil inférieur est d'environ 108 grammes dans ce dernier cas, soit bien au dessous du maximum recommendé de 150 grammes. L'exemple choisi correspond aux valeurs approximatives suivantes: - course verticale: 0.8 mm - pas du réseau carré: 0.1 pouces soit 2.54 mm longueur des fils contractiles: 11.2 mm - diamètre des fils: 0.10 mm distance de la partie centrale du fil a la surface sur laquelle il est fixé: de 0.6 contracté a 1.4 mm étiré - composante verticale de la somme des forces exercées par les ressorts de torsion sur la tige (1): de - 30 a +30 grammes - force exercée par le ressort contenu dans le point tactile: de 4 a 20 grammes si une pression est exercée sur le point - force nécessaire a vaincre les frottements: 6 grammes - force de traction necessaire a l'étirement d'un fil: 28 grammes Compte tenu de la faible inertie de l'ensemble des pièces mobiles, il n'est pas nécessaire de tenir compte des forces d'accélération si la durée du déplacement est d'au moins deux millisecondes. En effet, un déplacement de 0.8 mm en deux millisecondes correspond à une accelération maximum d'environ 100 fois la pesanteur soit une force d'environ 2 grammes pour une masse en35 mouvement évaluée à environ 20 milligrammes. Ces chiffres sont inversement proportionnels au carré de la durée du déplacement. La figure 11l schématise les liaisons électriques établies sur les plaques (4) et (25), pour assurer le fonctionnement d'un réseau de points disposes régulièrement en lignes et colonnes sur la plage de40 lecture. Le trou métallisé portant la broche émetteur du transistor (40) est relié électriquement au trou métallisé portant l'oeillet (23). -9- Le trou métallisé portant la broche base est relié à un conducteur électrique (43), imprimé sur une face de la plaque (25) parallèlement à la direction des colonnes de points tactiles sur la surface de lecture. Le conducteur électrique (43) est relié a un interrupteur électronique constitué par le transistor (50). Le trou métallisé portant l'oeillet (24) est relié à un conducteur électrique (42), imprimé sur l'autre face de la plaque (25) parallèlement à la direction des lignes de points tactiles sur la surface de lecture. Le conducteur électrique (42) est relié à un interrupteur électronique constitué par les transistors (51) et (52). Le trou métallisé portant la broche collecteur est relié à une surface conductrice électrique, imprimée sur une face de la plaque (4) et reliée au pôle (V2) d'une source de courant. Le collecteur du transistor (50) est relié au pôle (Vl) de cette source de courant. Sa base est reliée à une broche de connexion (COL) à laquelle est appliqué un signal électrique de niveau (Vl) pour fermer l'interrupteur, et de niveau (V3) pour l'ouvrir. Le collecteur du transistor (51) est relié au pôle (V3) de la source de courant et celui du transistor (52) a son pôle (V4). La base du transistor (52) est reliée à une broche de connexion (LIGNE) à laquelle est appliqué un signal électrique de niveau (V4) pour fermer l'interrupteur, et de niveau (V2) pour l'ouvrir. Tous les transistors (40) correspondant à une même colonne de points tactiles sont reliés à un même conducteur (43) réservé a cette colonne. Tous les fils (22) correspondant a une même ligne de points tactiles sont reliés à un même conducteur (42) réservé a cette ligne. Le passage du courant dans un fil (22)-actionnant le point tactile situé à l'intersection d'une ligne et d'une colonne est obtenu en fermant simultanément les interrupteurs de cette ligne et de cette colonne. On retrouve la même disposition de conducteurs et de transistors sur les plaques (5) et (31) pour commander le passage du courant dans les fils inférieurs (28). Les interrupteurs de lignes et de colonnes inférieurs et supérieurs sont commandés par des signaux électriques fournis respectivement par des circuits décodeurs d'adresses binaires de lignes et de colonnes, fournies par le dispositif électronique auquel est destiné le réseau de points tactiles, généralement un ordinateur personnel. - 10 - REVENDICATIONS 1) Plage tactile comportant: - une surface percée de trous disposés en un réseau régulier de lignes et de colonnes - des points disposés dans les dits trous de façon à pouvoir être déplacés perpendiculairement à la dite surface de façon à apparaitre en relief au dessus de la dite surface en position haute, et à disparaitre sous la dite surface en position basse des moyens pour la fixation élastique des dits points sur des tiges mobiles pouvant occuper soit une position haute, soit une position basse des moyens d'actionnement de type va-et-vient, comportant au moins deux fils à mémoire de forme disposés de façon à ce que la contraction de l'un provoque à la fois le déplacement vertical de la tige mobile correspondante et la déformation nécessaire de15 l'autre fil à mémoire de forme. - des moyens de positionnement élastique de type bistable, permettant de maintenir de façon stable en position haute ou basse, les dites tiges mobiles et les points qu'elles supportent, en l'absence d'une force exercée par les dits fils à mémoire de forme. - des moyens permettant de faire passer dans l'un quelconque des dits fils à mémoire de forme un courant électrique d'intensité et de durée choisies de façon à provoquer son échauffement jusqu'à sa température de retour à sa forme initiale. 2) Plage tactile conforme à la revendication 1 dans laquelle le moyen de positionnement bistable est constitué par deux ressorts placés entre d'une part la dite tige mobile, d'autre part deux points de fixation situés en deux positions symétriques par rapport à l'axe vertical de la dite tige mobile, de façon à exercer sur la dite tige mobile des forces telles que la dite tige mobile puisse occuper deux positions stables, l'une haute déterminée par une butée mécanique supérieure, l'autre basse déterminée par une butée mécanique inférieure. 3) Plage tactile conforme à la revendication 1 dans laquelle chaque fil à mémoire de forme est en alliage nickel-titane, ses extrémités étant fixées en deux positions symétriques par rapport à l'axe vertical de la dite tige mobile, de façon à ce que le fil passe dans un logement ménage dans la dite tige mobile pour exercer sur elle, lors de sa contraction, une force dont la composante verticale provoque le déplacement de la dite tige mobile de sa40 position stable initiale à la position stable opposée. - il - 4) Plage tactile conforme à la revendication 1 dans laquelle les extrémités des fils à mémoire de forme sont reliées respectivement d'une part à un conducteur électrique commun à chaque ligne de points, d'autre part à un interrupteur électronique propre au dit 5 fil, lui- même relié a un conducteur électrique commun à chaque colonne de points. ) Plage tactile conforme aux revendications 1 et 4 dans laquelle chacun des dits conducteurs est relié aux pôles d'un générateur de courant par au moins un interrupteur électronique pour chacune des10 lignes et chacune des colonnes de points, de façon à pouvoir actionner sélectivement un des fils à mémoire de forme situé a l'intersection de la dite ligne et de la dite colonne pour faire monter ou descendre le point tactile correspondant.