Brevet FR2830967A1 — publié le 20030418

essieux. La présente invention concerne les dispositifs appelés plages tactiles. Ces dispositifs, construits pour les aveugles, sont constitués par une surface plane dans laquelle sont percés des trous, disposés en réseau régulier de lignes et de colonnes, à travers lesquels on peut faire apparaitre des points en relief, représentant par exemple des caractères Braille. Les plages tactiles actuellement utilisées sont constituées de modules comportant 8 points disposés en deux colonnes de 4 capables de représenter 256 combinaisons différentes comportant tous les caractères Braille et de nombreux autres signes tvpographiques. La quasi-totalité de ces modules utilisent comme moteur une lame piézo électrique bimorphe pour chaque point, disposée horizontalement avec l'une de ses extrémités placée sous le point qu'elle actionne. Compte tenu de la longueur des actionneurs, on ne peut juxtaposer plue de deux lignes de caractères Braille. De plus, malgré leur assez grande diffusion, le prix des ces modules reste élevé, en raison du prix des actionneurs et des composants électroniques spéciaux nécessaires pour appliquer sélectivement une différence de potentiel supérieure à 200 Volts aux lames 1 5 piézo-électriques. Un exemple d'une telle plage tactile a été décrit dans le Brevet Français No 8 408 143. P lusieurs inventeurs ont propo sé de remplacer les lame s pi ézo électriques par de s actionneurs utilisant des fls en alliage à mémoire de forme, infiniment plus compacts et bien moins chers à énergie mécanique égale. Les brevets USA No 5,165,897 et No 5,718,588 en donnent des exemples. Cependant, à notre connaissance, personne n'a commercialisé à ce jour de plage tactile utilisant des actionneurs à mémoire de forme. On peut expliquer cette situation par les observations suivantes. Tout d'abord, une lame piézo-électrique se comporte vis à vis de la source d'énergie électrique comme un condensateur qui ne consomme aucune énergie si la différence de potentiel à ses bornes et sa capacité restent constantes. Elle permet donc de maintenir le point tactile en position basse ou haute sans pratiquement consommer d'énergie électrique. Au contraire, pour maintenir un actionneur en alliage à mémoire de forme dans son état actif - contracté - il faut le maintenir au dessus de sa température de transition, c'est à dire maintenir en son sein un dégagement d'énergie par effet Joule suffisant pour compenser les pertes thermiques. La consommation d'énergie électrique correspondante étant prohibitive, un tel actionneur ne peut servir qu'à modifier la position du point tactile et non à la maintenir. Il faut donc utiliser un système de verrouillage du point tactile en position haute ou basse qu'il faut déverrouiller pour permettre le retour du point en position opposée. Deux solutions ont été précédemment proposoes: soit un déverrouillage de tous les points actifs avant le rafraichissement de la plage de lecture, obtenu grace à un ou des actionneurs électromécaniques séparés, comme proposé dans le brevet USA No - 2 ,165,987, soit uniquement un déverrouillage des points actifs qui doivent changer de position, obtenu grace à un actionneur indépendant pour chaque point tactile, comme dans le brevet USA No 5,718,588. La première solution, obligeant à faire bouger deux fois les points tactiles qui pourraient simplement rester en position active, gaspille doublement de l'énergie mécanique et complique sensiblement la construction de la plage tactile. La seconde so lution néce s site deux fil s en all iage à mémoire de forme avec les circuits électri que s correspondants pour chaque point tactile. Ensuite, le rapport de l'énergie mécanique fournie à l'énergie électrique consommée est. pour un alliage à mémoire de forme, très inférieur à celui d'un actionneur piézo électrique. L'objet de la présente invention est un module ne comportant qu'un seul point tactile, dont le mouvement vertical est commandé par un seul fil en alliage à mémoire de forme et conçu de façon à minimiser l'énergie mécanique nécessaire à son fonctionnement et à permettre la construction de plages tactiles par simple juxtaposition de modules identiques. Un autre objet de la présente invention, est de permettre le remplacement d'un module détectueux sans démontage des modules voisins afin de faciliter et d'accélérer les opérations de maintenance de telles plages tactiles. Un exemple de réalisation d'un module conforme à la présente invention est représenté sur les figures 1 à 8. Il est conçu de façon à n'utiliser qu'un seul fil en alliage à mémoire de forme et à réduire au strict minimum l'énergie mécanique demandée à ce fil. La figure 1 représente une vue en élévation de l'ensemble des éléments mécaniques nocessaires au fonctionnement d'un module tactile conforme à la présente invention. Un système mécanique déformable est constitué par les trois éléments principaux suivants: un point tactile (1) pouvant se déplacer verticalement parallèlement à son axe, une came (2) pouvant pivoter autour de son axe horizontal (12), un ensemble de deux bielles (3) et (4) disposées de part et d'autre du point (1) pouvant pivoter, d'une part autour d'une tige cylindrique horizontale (5) traversant le point (1) perpendiculairement à son axe et traversant une extrémité des bielles (3) et (4) perpendiculairement à leur plans, d'autre part autour d'une tige cylindrique horizontale (6) traversant la came (2) parallèlement à son axe et traversant l'autre extrémité des bielles (3) et (4) perpendiculairement à leur plans. La came (2) est composée de deux disques (13) et (14) symétriques par rapport au plan vertical passant par l'axe du point (1) et perpendiculaire à la tige cylindrique (6) qui rend les deux disques solidaires l'un de l'autre lors de leur rotation autour de l'axe de la came (2). - 3 Si la came (2) tourne autour de son axe (12), elle provoque un déplacement vertical du point (l) par l'intermédiaire des bielles (3) et (4). Lorsque le point (1) est en position haute, l'axe de rotation de la came (2) et les tiges cylindriques (5) et (6) se trouvent dans un même plan vertical contenant l'axe du point tactile (1) comme indiqué dans la figure 2. Dans cette position, une force verticale appliquée au point (1) vers le bas produit un arc boutement des bielles (3) et (4) sur la came (2) transmettant cette force verticale à l'axe de la came (2) sans appliquer de couple de rotation ni aux bielles ni à la came, à condition qu'un dispositif convenable empêche la tige cylindrique (5) de s'écarter de cette position d'équilibre. C'est le rôle du système de rappel élastique à deux positions stables constitué par le ressort hélicoidal (7) comprimé entre la tige cylindrique (6) et une tige cylindrique (8) autour desquelles il peut pivoter. Deux coussinets (9) et (10) transmettent la pression du ressort (7) aux tiges (6) et (8) de façon à maintenir l'axe du ressort dans le plan des tiges (6) et (8) en leur milieu. Afin de limiter la force verticale susceptible d'être produite en position haute du point (1) à une valeur supportable par les pièce mécaniques tout en donnant une fermeté optimum au point tactile, toute pression du doigt sur le point tactile (1) est transmise à la tige cylindrique (5) par l'intermédiaire d'un ressort hélicoidal (11) placé à l'intérieur du point tactile. Lorsque le point (1) se trouve en position basse, les tiges (5), (6) et l'axe de la came (2) se trouvent aux sommets d'un triangle équilatéral et perpendiculaires à son plan comme indiqué dans la figure 3. Le système mécanique déformable est maintenu dans cette position par le système de rappel qui se trouve alors dans sa deuxième position stable. Le déplacement vertical du point (1) est égal à la longueur d'un des côtés de ce triangle, c'est à dire égal à la distance de l'axe de la came (2) à la tige cylindrique (6) et de celle-ci à la tige cylindrique (5). Pour faire passer le point (1) de sa position basse à sa position haute, il sufft de faire tourner la came (2) de soixante degrés dans le sens trigonométrique, ce qui entrainera une rotation des bielles (3) et (4) autour de la tige cylindrique (6) solidaire de la came (2) de soixante degrés également dans le sens opposé. Les disques (13) et (14) comportent chacun une rainure (15) et (16) sur leur face intérieure. Une tige cylindrique (17) peut se déplacer à l'intérieur de ces rainures en re stant perpendi culaire aux face s de s di sques. Un fi l en alli age à mémo ire de forme (2 0) est fixé d'une part au centre de la tige (17) et d'autre part au centre d'une tige cylindrique (18) parallèle à l'axe de la came (2) et située dans le plan vertical passant par cet axe. Ce fil est emprisonné entre deux plaques identiques (21) et (22) qui peuvent pivoter simultanément autour de la tige (18). Un ressort hélicoidal (23) est comprimé entre la tige cylindrique (17) et les faces supérieures des plaques (21) et (22). L'extrémité supérieure - 4 des plaques (21) et (22) pénètre à l'intérieur du ressort (23) de façon à le maintenir centré autour du fil (20) et constitue une fourche (26) qui rend les déplacements horizontaux de la tige (17) solidaires de ceux de l'extrémité supérieures des plaques (21) et (22). La longueur initiale du fil à mémoire de forme (20) est choisie de façon à maintenir le fil juste tendu entre les tiges (17) et (18) lorsque la tige (17) se trouve dans le coin supérieur gauche ou droit des rainures (15) et (16) lorsque le fil est froid, c'est à dire en position de repos. Dans ces positions, le ressort (23) exerce sur la tige (17) une force qui produit sur la came (2) un couple de rotation. Dans ces mémes positions, le ressort (7) exerce sur la tige (6) une force qui produit sur la came (2) un couple de rotation en sens opposé. Les caractéristiques des ressorts (7) et (23) sont choisies de façon à rendre le couple de rotation produit par le ressort (7) sensiblement supérieur au couple de rotation produit par le ressort (23) dans ces mémes positions. Ainsi, le systéme de rappel élastique constitué par le ressort (7) comprimé entre les tiges (6) et (8) maintient l'ensemble des pièces 1 S mobiles dans l'une des positions stables des figures 2 ou 3 lorsque le fil (20) est dans son état froid donc à sa longueur maximum. L'ensemble des pièces (1) à (23) est contenu dans un tube a section carrée (24) dont le c ôté extérieur détermine l 'espacement mini mum de s points tactiles dans une pl age tactile comportant un réseau régulier de lignes et de colonnes de points, typiquement 2.5 mm. Les tiges cylindriques fixes (8) et (18) ainsi que l'axe de la came (2) sont supportés par des trous percés dans deux parois opposées du tube (24) . Sa partie supérieurs est fermée par un bouchon (25) percé d'un trou vertical dans lequel peut coulisser le point (1) qui s'appuie également lors de son mouvement sur l'une des parois du tube (24) . Les figures 4 à 8 illustrent la façon dont l'ensemble des pièces mobiles passent de la position basse du point (1) représentée sur la figure 4 à sa position haute représentée sur la figure 8. Ces figures ne représentent que la partie supérieure du module tactile afin d'agrandir les eléments qui permettent d'expliquer son fonctionnement. Pour faire passer l'ensemble des pièces mobiles de l'une des positions stables à l'autre, il suffit d'envoyer dans le fil (20) une impulsion de courant électrique suffsante pour produire par effet Joule l'élévation de température nécessaire pour assurer la transition de l'alliage à mémoire de forme de la phase martensitique à la phase austénitique. Cette transition produit un raccourcissement du fil qui exerce alors sur la tige (17) une force de traction dirigée vers le bas. Dans une premier temps le raccourcissement du fil en comprimant le ressort (23) fait descendre la tige (17) de l'angle supérieur gauche à l'angle inférieur gauche des rainures (1S) et (16) o elle vient s'arc- bouter dans une encoche circulaire ménagée dans l'angle inférieur gauche des rainures. La came (2) et les pièces qu'elle peut entrainer restent - 5 immobiles. Dans un deuxiéme temps, qui sera le début du temps moteur, le fil continue à se raccourcir et à comprimer le ressort (23) et le mouvement de la tige (17) vers le bas fait pivoter la came (2) dans le sens trigonométrique, celle-ci fait pivoter les bielles (3) et (4) S du méme angle mais en sens opposé autour de la tige (5) et celles-ci poussent le point (1) vers le haut. Durant ce deuxième temps le couple exercé par le ressort (7) sur la came (2) s'oppose au couple de rotation plus élevé exercé par la traction du fil (20) sur cette came. Lorsque les pièces mobiles atteignent les positions indiquées sur la figure 6, la came (2) a accompli la moitié de sa rotation et le couple exercé par le ressort (7) s'annule puisque les tiges (8), (6) et l'axe de rotation de la came se trouvent dans un méme plan. Le tige cylindrique (5) destinée à entrainer le point tactile (1) s'est déplacée vers le haut de 73 pour cent de sa course maximum. Si rien ne s'oppose à son mouvement le point (1) est poussé vers le haut de la même longueur par l'intermédiaire du ressort (11). Dans le cas contraire, le ressort (11) est 1S comprimé ce qui produit sur la came (2) par l'intermédiaire des bielles (3) et (4) un couple opposé au couple exercé par la traction du fil (20). Dans ce cas, l'essentiel du travail mécanique fourni par le fil (20) est utilisé à comprimer le ressort (11). Dans un troisième temps, qui sera la fin du temps moteur, le fil continue à se raccourcir et à comprimer le ressort (23) et le mouvement de la tige (17) vers le bas fait continue à faire pivoter la came (2) dans le sens trigonométrique, celle-ci continue à faire pivoter les bielles (3) et (4) du méme angle mais en sens opposé autour de la tige (5) et celles-ci continuent à pousser le point (1) vers le haut. Durant ce troisième temps le couple exercé par le ressort (7) sur la came (2) s'ajoute au couple de rotation exercé par la traction du fil (20) sur cette came. A la fin de ce troisième temps, les diverses pièces mécaniques se trouvent dans les positions indiquées sur la figure 7. Le fil (20) a fini de se raccourcir, la came (2) a terminé sa rotation, le point (1) s'est déplace vers le haut des 27 pour cent restant de sa course totale et la tige (17) se trouve toujours dans l'encoche située à l'angle inférieur gauche des rainures (15) et (16). Depuis la fin de l'impulsion de courant electrique qui l'a échauffé, le fil (20) a commencé a se refroidir. Ce refroidissement est considérablement accéléré par les plaques (21) et (22) fabriquées avec un matériau bon conducteur de la chaleur et maintenues en étroit contact thermique avec la surface du fil (20) par une couche de graisse thermoconductrice. Les plaques (21) et (22) constituent un radiateur dont la surface est plus de 20 fois supérieure à celle du fil (20). Le calcul montre que le temps de retroidissement du fil peut ainsi étre reduit en dessous de 0.1 seconde ce qui permet d'effectuer des changements de position du point tactile rapides en cas de nécessité. - 6 Durant son refroidissement, lors de son retour vers son état initial, le fil (20) s'allonge, aidé en celà par l'extension du ressort (12). Dans un quatrième temps, sous la poussée verticale du ressort (12), la tige (17) vient buter contre le bord supérieur des rainures (15) et (16) puis, comme le couple exercé sur la came (2) par le ressort de rappel (7) est supérieur au couple que peut exercer sur cette came le ressort (23), la came reste immobile et la tige (17) commence à glisser de gauche à droite le long du bord supérieur des rainures (15) et (16) pour venir s'arréter dans l'angle supérieur droit des ces rainures, dans une position symétrique de sa position avant la contraction du fil (20) comme indiqué sur la figure 8. Si une nouvelle impulsion de courant électrique est envoyée dans le fil (20) le mouvement du fil, de la tige (17) et de la came (2) s'effectuera de façon svmétrique au mouvement décrit ci-dessus, et le mouvement des bielles, du ressort (7) et du point (1) s'effectuera de façon opposée à celui décrit ci-dessus. Les figures 9 et 10 illustrent une disposition légèrement différente des éléments mécaniques directement associés au fil (20) destinée à reduire de près de moitié la hauteur d'un module conforme à la présente invention. Cette disposition est obtenue en faisant tourner de 60 degrés autour de l'axe de la came (2), dans le sens trigonométrique. les rainures (15) et (16), le ressort (23), les plaques (21) et (22) ainsi que la position de la tige (18) qui sert d'ancrage inférieur au fil (20). Le fonctionnement est absolument identique à celui décrit précedemment mais l'épaisseur des plaques (21) et (22) est réduite progressivement de leur partie inférieure à leur partie supérieure afin d'éviter qu'elles n'empiètent sur l'espace réservé aux modules voisins dans le plan des figure 9 et 10. Les figures 11 à 13 représentent une autre réalisation d'un module conforme à la présente invention. Dans cette réalisation, le point tactile (1), entrainé par la came (2) par l'intermédiaire de la tige cylindrique (5) qui le traverse, occupe au cours de son mouvement des positions successives similaires à celles occupées par les bielles (3) et (4) dans les figures 1 à 3, auxquelles il se substitue. Lorque le sommet hémisphérique du point tactile passe de sa position basse sur la figure 11 à sa position haute sur la figure 2, il s'appuie sur la paroi verticale du support (24) et pivote en méme temps autour de la tige (5) et autour du centre de son sommet hémisphérique en passant progressivement d'une position inclinée à une position verticale. Dans cette position illustrée sur la figure 12, si l'on exerce une pression sur le sommet du point tactile (1), il s'arqueboute sur la came (2) sans exercer sur celle-ci de couple de rotation. Le système de rappel élastique est constitué de deux ressorts plats (7) comprimés entre la tige cylindrique (5) et la tige cylindrique (8) et comporte comme précédemment deux positions stable correspondant aux positions basses et haute du point tactile (1). Le reste des éléments du module fonctionne exactement comme décrit ci - 7 dessus pour les réalisations indiquées sur les figure 1 à 10. On remarquera sur les figures 1 à 3, et 9 à 13, que la partie inférieure du radiateur constitué par les plaques (21) et (22) à une ffirme semicylindrique dont l'axe est confondu avec celui de la tige (18). Cette forme permet au radiateur de rester si nécéssaire, au cours du retroidissement du fil, donc pendant sa rotation autour de l'axe (18), en contact thermique avec un système de refroidissement complémentaire, comportant de s l ogements semi - cylindriques concave s pour les radi ateurs de chaque module, et situé sous la plage tactile. - 8 REVENDICATIONS 1) Module de lecture tactile comprenant: - un support dans lequel sont disposés: un point pouvant se déplacer parallèlement à l'axe du support de façon à apparaitre en relief au dessus de la surface supérieure du dit support en position haute, et à disparaitre au dessous de la dite surface en position basse, - des moyens pour la liaison élastique du dit point avec une came pouvant tourner autour d'un axe fixé sur le dit support de façon à ce que la rotation de la came dans un sens provoque le déplacement du dit point de sa position basse à sa position haute, et que sa rotation en sens contraire provoque le déplacement du dit point de sa position haute à sa position basse, - ces dit moyens de liaison de liaison, ce dit point et cette dite came étant disposés de façon à ce qu'en postion haute, une force appliquée au dit point vers le bas n'exerce aucun couple de rotation sur la dite came, - de s moyens de po siti onnement élasti que du type bi stable, permettant de maintenir de façon stable en position haute ou basse le dit point, et dans les positions correspondantes les dits moyens de liaison et la dite came, en l'absence d'un couple de rotation appliqué à la dite came ou si ce couple de rotation est inférieur à une certaine valeur de référence, - des moyens d'actionnement du type va-et-vient, comportant un fil à mémoire de forme disposé de façon à ce que sa contraction par échauffement électrique provoque une rotation de la dite came dans un sens lorque le dit point se trouve initialement en position basse, et dans le sens contraire lorsque le dit point se trouve initialement en position haute, - des moyens permettant de faire passer dans le fil à mémoire de forme un courant électrique d'intensité et de durée choisies de façon à provoquer son échauffement jusqu'à sa température de contraction, - des moyens permettant d'accélérer le refroidissement du dit fil pour permettre son fonctionnement en va-et-vient rapide, - des moyens de rappel élastique permettant d'aider le retour du dit fil à mémoire de forme à sa longueur initiale et en méme temps de l'amener dans une position syrnétrique de sa position de départ par rapport à un plan parallèle à l'axe du dit point et passant par l'axe de rotation de la dite came, ces moyens étant choisi de façon à n'exercer sur la dite came qu'un couple de rotation sensiblement inférieur à la valeur de réLérence chosie pour les moyens de positionnement élastique bistables. 2) Module tactile conforme à la revendication 1 dans lequel les moyens de liaison élastique du point tactile avec la came sont constitués de deux bielles, disposées symétriquement de part et d'autre de l'axe du point, pouvant pivoter d'une part autour d'une tige cylindrique traversant le point tactile perpendiculairement à son axe et la partie supérieure des bielles perpendiculairement à leur plan, d'autre part autour d'une autre tige cylindrique traversant la came parallèlement à son axe et la partie inférieure des bielles perpendiculairement à leur plan, la tige cylindrique supérieure entrainant le point tactile vers le bas directement, mais vers le haut par l'intermédiaire d'un ressort de compression, les deux tiges cylindriques, l'axe de la came et l'axe du point tactile se trouvant dans un même plan vertical lorsque le point tactile se trouve en position haute. 3) Module tactile conforme à la revendication 1 dans lequel le dit fil à mémoire de forme est fixé d'une part à une tige qui peut glisser dans des rainures ménagées sur les faces internes de la came, d'autre part à une tige fixée au dit support qui peut pivoter autour de son axe, de telle sorte que la contraction du fil, provoquée par échauffement électrique, fasse tourner la came et que le refroidissement du dit fil lui permette de revenir à sa longueur initiale, aidé par un ressort qui fait glisser la dite tige dans les dites rainures, la came étant empéchée de tourner par un ressort de rappel à deux positions stables, l'une correspondant à la position basse du point, l'autre à sa position haute, de telle sorte que la tige vienne occuper une position symétrique de sa position initiale par rapport au plan vertical passant par l'axe de la came et l'axe de la tige fixe, afin que lors de la contraction suivante du dit fil la came soit entrainée en rotation dans le sens opposé. 4) Module tactile conforme à la revendication 1 dans lequel les moyens permettant d'accélérer le refroidissement du fil sont constitués de deux plaques conductrices de la chaleur, disposées au contact du fil et symétriquement par rapport à lui tout en étant isolées electriquement du dit fil, de façon à pouvoir se déplacer avec lui lors de son refroidissement sans gêner sa contraction ou son élongation longitudinale. ) Module tactile conforme aux revendications 1,3 et 4, dans lequel les moyens de liaison élastique du point tactile avec la came sont constitués d'une tige cylindrique traversant le point tactile perpendiculairement à son axe et la came parallèlement à son axe, la tige cylindrique entrainant le point tactile vers le bas directement, mais vers le haut par l'intermédiaire d'un ressort de compression, la tige cylindrique, l'axe de la came et l'axe du point tactile se trouvant dans un méme plan vertical lorsque le point tactile se trouve en position haute. 6) Module tactile conforme aux revendications 1 à 4, ou aux revendications 1,2,4 et 5 dans lequel la position de l'ensemble des moyens d'actionnement et de refroidissement a subi une rotation d'environ soixante degrés à partir de sa position verticale, par rapport à - 10 l'axe de la dite came, de façon à réduire sensiblement l'encombrement vertical d'un module sans empêcher la juxtaposition d'un nombre quelconque de modules. 7) Plage tactile, composée de modules conformes aux revendications 1 et 4, comportant un dispositif de refroidissement complémentaire placé sous les dits modules de telle sorte que les parties inférieures semi-cylindriques des radiateurs des dits modules pui s sent pivoter tout en re stant en contact thermi que avec de s logement s semi cylindriques concaves ménagés sur la surface supérieure du dit dispositif de