Brevet FR2779889A1 — publié le 19991217

Détecteur de contact par effet capacitif La présente invention concerne un détecteur de contact par effet capacitif destiné à remplacer les interrupteurs ou commutateurs électriques conventionnels ou à commander des circuits électroniques tels que des variateurs de puissance ou équivalents. De tels détecteurs de contact sont connus dans l'art. Par exemple, le document US-A-4 087 702 décrit un variateur électronique de puissance dont la commande est assurée par un contact direct de l'utilisateur avec un ou plusieurs points précis du circuit, ces points étant électriquement relié(s) avec ce dernier. Il en résulte un risque de choc électrique en cas de défaillance de l'isolement électrique, et, au moins, une sensation tactile désagréable lorsque l'utilisateur touche l'un de ces points sous tension, en particulier puisque les plaques tactiles sont directement reliées aux éléments de puissance. Le document GB-A-1 529 862 décrit un dispositif obviant à cet inconvénient. La plaque tactile est isolée par rapport au circuit de puissance associé à l'électrode d'émission, mais ce dispositif requiert un oscillateur fonctionnant sous 120 Volts environ à 50 kHz électriquement relié à un circuit sommateur directement relié à l'électrode de réception. D'une part, il n'y a donc ici aucun isolement électrique d'un circuit par rapport à l'autre, ce qui pose un grave problème en cas de défaillance de l'un de ses composants, notamment d'une diode. D'autre part, un tel dispositif requiert impérativement un moyen de réglage de la position d'équilibre sous forme d'un potentiomètre accessible à l'utilisateur. Or cette position d'équilibre doit être à tout instant ré-ajustée du fait même des dérives dues aux différentiels thermiques appliqués à chacun des composants électroniques. Dans le dispositif décrit dans le document GB-A-2 080 536, la plaque tactile est également isolée, et ce circuit résout, en outre, le problème de l'isolement électrique entre les deux circuits, mais il requiert encore un potentiomètre pour le réglage du système. L'oscillateur délivre une tension alternative sinusoïdale redressée double alternance à haute10 fréquence qui, par nature même, engendre un rayonnement électromagnétique parasite. La présente invention se situe dans ce contexte et propose un détecteur de contact palliant les inconvénients précités. Un détecteur conforme à la présente invention peut ainsi être, sans danger, disposé dans un milieu hostile, tout en assurant une sécurité intrinsèque de l'utilisateur. L'invention concerne donc, plus précisément, un détecteur de contact par effet capacitif comportant une plaque tactile conductrice capacitivement couplée, d'une part, à une électrode d'émission et, d'autre part, à une électrode de réception, les électrodes d'émission et de réception étant électriquement isolées l'une par rapport à l'autre. L'électrode d'émission est reliée à un oscillateur, tandis que l'électrode de réception est reliée à l'entrée d'un amplificateur.25 Selon l'invention, la sortie de l'amplificateur est reliée à une électrode de réaction capacitivement couplée à la plaque tactile et électriquement isolée des électrodes d'émission et de réception. De préférence, I'électrode de réaction détermine une réaction positive appliquée à l'électrode de réception. De façon avantageuse, I'électrode de réaction est physiquement disposée entre les électrodes d'émission et de réception. Dans un mode de réalisation préféré, I'électrode de réception est reliée à l'entrée de l'amplificateur par l'intermédiaire d'un filtre passe- bande centré sur la fréquence du signal délivré par l'oscillateur. De façon avantageuse, ce filtre est un filtre actif à contre-réaction multiple.15 Dans le mode préféré de réalisation, I'oscillateur délivre un signal carré à front raide à haute fréquence dont l'amplitude est comprise entre 3 et 10 Volts environ, et la fréquence est comprise entre 20 et 200 kHz environ.20 L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit d'un mode préféré de réalisation donnés à titre non limitatif et à laquelle une planche de dessins est annexée sur laquelle: La Figure 1 représente schématiquement un détecteur de contact conforme à un mode préféré de réalisation de la présente invention; et La Figure 2 illustre un mode alternatif de réalisation de la plaque tactile. En référence maintenant à la Figure 1, on a illustré un détecteur de contact par effet capacitif de sécurité conforme à la présente invention. Ce détecteur comprend essentiellement une plaque tactile électriquement conductrice 10 directement accessible à l'utilisateur. Une telle plaque peut être réalisée sous la forme d'une feuille métallique électriquement isolée et collée sur une paroi d'un substrat électriquement isolant 12. Un tel substrat 12 est, de préférence, choisi parmi les bois, les verres et les plastiques. En effet, ces matériaux présentent de faibles performances diélectriques et des tangentes d'angle de perte élevées. En outre, ils assurent un isolement jusqu'à une tension de claquage propre qui est généralement très élevée et, en tout état de cause, nettement supérieure aux tensions mises en jeu dans le détecteur de l'invention. Ceci, bien sûr,20 compte tenu d'un mode possible d'alimentation à partir du réseau de distribution de l'électricité. Ainsi, le détecteur peut être connecté, pour son alimentation propre, à une tension dont le potentiel par rapport à la terre est très supérieur à celui nécessaire à son fonctionnement. Par exemple, à un des pôles d'alimentation peut être au potentiel d'une phase du réseau de distribution électrique (630 Volts par rapport à la terre). L'épaisseur du substrat 12 dépend essentiellement du matériau choisi pour le constituer et peut atteindre jusqu'à 20 mm. Sur la paroi opposée du substrat 12, on trouve trois électrodes 14, 16 et 18, pouvant également être réalisées sous forme de bandes ou de feuilles métalliques et électriquement conductrices collées au substrat 12 par tout moyen adhésif approprié. Elles peuvent également être réalisée par des pellicules de cuivre déposées sur un sous-substrat collé au substrat 12 et obtenues, comme un circuit imprimé, par photogravure ou attaque chimique appropriée. Ces trois électrodes sont, bien sûr, électriquement séparées les unes des autres. L'électrode 14, dite électrode d'émission, est reliée à la sortie d'un oscillateur 20. Cet oscillateur 20 est du type astable, et délivre, par exemple, un signal carré à front raide à haute fréquence. 2 0 Dans un mode de réalisation préféré, ce signal a une amplitude de l'ordre de 5 Volts, et une fréquence de l'ordre de 100 kHz. Un tel signal présente l'avantage d'une bonne transmission dans des substrats du type précisé ci-dessus. L'électrode 16 est dite électrode de réception. En effet, du fait du couplage capacitif, il se crée un champ électrique entre l'électrode d'émission 14 et la plaque tactile 10, et entre la plaque tactile 10 et l'électrode de réception 16: Ainsi, sauf modification de l'état de la plaque tactile 10, comme on va le voir, le signal sur l'électrode d'émission 14 est transmis à l'électrode de réception 16, d'une façon, certes, altérée. - Ainsi, I'électrode de réception 16 reçoit normalement, c'est à dire en absence de tout contact extérieur, un signal périodique impulsionnel d'une amplitude comprise entre 100 et 600 mV en fonction de l'épaisseur du substrat 12. Ce signal périodique à haute fréquence est appliqué à un amplificateur conventionnel 22 par l'intermédiaire d'un filtre actif passe- bande 24 centré sur la fréquence de l'oscillateur 20. Un tel filtre 24 est, par exemple, un filtre à contre-réaction multiple du type de Rauch, qui délivre à l'amplificateur 22 un signal filtré de ses harmoniques et rendu pseudo-15 sinusoïdal dont l'amplitude est proche de celle du signal collecté par l'électrode de réception 16, à une fréquence de 100 kHz (avec les valeurs précitées du signal délivré par l'oscillateur 20). Un tel filtre actif est souhaitable pour éliminer ou, au moins, 2 0 atténuer grandement les signaux parasites susceptibles d'être. introduits par l'intermédiaire de la plaque tactile 10. En particulier, un tel filtre peut fortement atténuer les signaux parasites résultant du champ magnétique à ou 60 Hz qui baigne tout environnement domestique. Par exemple, une atténuation de ces signaux de l'ordre de 40 dB est souuhaitable. La sortie de l'amplificateur 22 est appliquée à un détecteur de seuil 26 qui va engendrer un signal logique du type 0-5 Volts dans l'exemple représenté. Ce signal logique est celui qui va être exploité pour commander un interrupteur électrique statique, un variateur de puissance ou tout autre élément électronique de commande d'un fait extérieur. - Conformément à l'invention, la sortie de l'amplificateur 22 est également appliquée à l'électrode dite de réaction 18. Cette électrode de réaction 18 étant capacitivement couplée à l'électrode de réception 16 par l'intermédiaire de la plaque tactile 10, on obtient ainsi une réaction positive qui va être prise en compte par l'électrode de réception 16 pour favoriser et10 amplifier ab initio le signal reçu par cette dernière électrode 16. En disposant physiquement cette électrode de réaction 18 entre les électrodes d'émission 14 et de réception 16, on évite ou, au moins, on atténue grandement tout couplage capacitif direct entre ces deux15 dernières électrodes 14 et 16. A noter qu'un couplage direct entre l'électrode d'émission 14 et l'électrode de réaction 18 est sans effet notable, et qu'un couplage direct entre l'électrode de réaction 18 et l'électrode de réception 16 est plutôt favorable au fonctionnement du détecteur. En outre, une telle disposition des trois électrodes 14, 16 et 18 évite aussi tout déclenchement aléatoire ou parasite du à l'environnement, ce qui dispense complètement le dispositif d'utiliser un potentiomètre destiné à régler le gain de l'amplificateur 22 en fonction de cet environnement. De ce fait, le détecteur selon l'invention n'est, en plus, pas lié par l'épaisseur du substrat 12. dans une mesure raisonnable, bien sûr. Ainsi, si le substrat est du verre de quartz, le détecteur peut fonctionner jusqu'à une épaisseur de l'ordre de 15 mm, ce qui est déjà considérable. En fonctionnement, en absence de contact physique avec la plaque tactile 10, le signal appliqué à l'électrode d'émission 14 est reçu par l'électrode de réception 16 et le détecteur de seuil 26 délivre en sortie une 5 tension continue de l'ordre de la tension d'alimentation du détecteur, par exemple de l'ordre de 5 Volts. Lors d'un contact physique avec la plaque tactile 10, cette dernière est sensiblement mise à la masse et le couplage capacitif chute. Le signal reçu par l'électrode de réception 16 devient inutilisable car de trop faible amplitude, et le détecteur de seuil 26 délivre en10 sortie une tension nulle. Bien évidemment, le signal de sortie du détecteur de seuil 26 peut également être inversé. On a donc bien décrit un détecteur de contact dont le fonctionnement est totalement silencieux, puisque ne comprenant aucune pièce mobile, fonctionnant sous une faible tension (de l'ordre de 5 Volts), consommant un courant de l'ordre de quelques milliAmpères, ne générant pas de parasites électromagnétiques, et présentant une sécurité totale pour l'utilisateur. En outre, I'électrode de réaction 18 étant disposée entre les électrodes d'émission 14 et de réception 16, le coefficient de couplage direct entre les électrodes d'émission 14 et de réception 16 est fortement réduit, ce qui améliore nettement le taux de discrimination du filtre passe-bande 24. A titre d'exemple, le taux de discrimination est de l'ordre de 1,7 lorsque25 I'électrode de réaction 18 est absente, tandis qu'il monte à plus de 4 lorsque cette électrode de réaction 18 est présente. Ceci permet d'éviter la présence d'un potentiomètre coûteux et inutile pour le réglage du gain de l'amplificateur 22, de façon à déterminer un détecteur de contact standard, ceci tant que l'épaisseur du substrat 12 reste raisonnable (par exemple inférieure à 20 mm). Pour de plus grandes 5 épaisseurs du substrat 12, il faudra, bien évidemment, modifier l'amplificateur 22 pour qu'il présente un gain plus important. Comme l'homme du métier l'aura compris, le détecteur selon l'invention permet d'assurer la sécurité intrinsèque de l'utilisateur, même s'il est dans un environnemernt hostile, par exemple humide, poussiéreux ou explosif, puisque le substrat 12 peut favorablement être réalisé de façon totalement étanche, les circuits électroniques du détecteur étant alors hors de cet environnement hostile. En outre, la puissance dissipée par ces circuits électroniques est extrêmement faible, ce qui signifie que ceux-ci15 peuvent favorablement être encapsulés. En outre, la plaque tactile 10 peut affecter n'importe quelle forme et, de ce fait, le détecteur selon l'invention peut, dès lors, constituer un dispositif de sécurité permettant, par exemple, de constater aisément une20 présence intruse dans une zone dangereuse. Sur la Figure 2, on a représenté un mode alternatif de réalisation de la plaque tactile 10 permettant de conserver la notion de sécurité intrinsèque tout en s'affranchissant substantiellement de l'épaisseur du substrat 12. Ainsi, un deuxième substrat 32 recouvre la plaque tactile 10 qui est donc prise en sandwich entre les deux substrats 12 et 32. Un clou 30 électriquement conducteur est relié à la laque tactile et traverse le deuxième substrat 32 et permet à l'utilisateur d'entrer en contact de la plaque tactile 10. Une telle disposition permet, en outre, d'assurer une protection de la plaque tactile 10 dans un environnement susceptible de vandalisme. Bien que l'on ait représenté et décrit ce que l'on considère actuellement être les modes de réalisation préférés de la présente invention, il est évident que l'Homme de l'Art pourra y apporter différents changements et modifications sans sortir du cadre de la présente invention tel que défini ci-après.'o Notamment, la conception de la plaque tactile 10 est ainsi totalement ouverte pour s'adapter à la fonction recherchée d'un tel détecteur de contact. * REVENDICATIONS 1 - Détecteur de contact par effet capacitif comportant une plaque tactile (10) conductrice capacitivement couplée à travers un substrat (12), d'une part, à une électrode d'émission (14) et, d'autre part, à une électrode de réception (16), les dites électrodes d'émission et de réception (14, 16) étant électriquement isolées l'une de l'autre, la dite électrode d'émission (14) étant reliée à un oscillateur (20), tandis que l'électrode de réception (16) est reliée à l'entrée d'un amplificateur (22), caractérisé en ce que la sortie du dit amplificateur (22) est reliée à une électrode de réaction (18) capacitivement couplée à la dite plaque tactile (10) et électriquement isolée des dites électrodes d'émission et de réception (14, 16). 2- Détecteur de contact selon la revendication 1, caractérisé en ce que la dite électrode de réaction (18) détermine une réaction positive appliquée à la dite électrode de réception (16). 3- Détecteur Ne contact selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la dite électrode de réaction (18) est physiquement disposée entre les dites électrodes d'émission et de réception (14, 16).20 4- Détecteur de contact selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la dite électrode de réception (16) est reliée à l'entrée du dit amplificateur (22) par l'intermédiaire d'un filtre passe-bande (24) centré sur la fréquence du signal délivré par le dit oscillateur (20). 5 - Détecteur de contact selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dit filtre (24) est un filtre actif à contre-réaction multiple. 6- Détecteur de contact selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dit oscillateur (20) délivre un signal carré à front raide à haute fréquence. 7- Détecteur de contact selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le signal de sortie du dit oscillateur (20) a une amplitude comprise entre 3 et 10 Volts environ, et une fréquence comprise entre 20 et 200 kHz environ. 8- Détecteur de contact selon la revendication 6, caractérisé en ce que le signal de sortie du dit oscillateur (20) a une amplitude de l'ordre de 5 Volts, et une fréquence de l'ordre de 100 kHz. 9- Détecteur de contact selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la sortie du dit amplificateur (20) est reliée à l'entrée d'un détecteur de seuil (26) dont la sortie délivre un signal logique. - Détecteur de contact selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un deuxième substrat (32) recouvre la dite plaque tactile (10), un clou (30) électriquement conducteur étant relié à la dite plaque tactile (30) et traversant totalement le dit deuxième substrat (32) pour permettre un contact avec la dite plaque tactile (10). 11- Détecteur de contact selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le substrat (12, 32) électriquement isolant est choisi parmi les bois, les verres et les plastiques.