Brevet FR2831707A1 — publié le 20030502

sérgraphe. La présente invention concerne une surface sensible au toucher ainsi qu'aux niveaux de pression. De plus en plus souvent, des touches de commande ne comportent plus de bouton ou de curseur mais une surface sensible au toucher permettant ainsi d'obtenir un système de commande tactile. La taille des surfaces sensibles au toucher utilisées dépend de l'application choisie. La surface sensible peut être limitée à une surface sensiblement équivalente à celle d'un doigt mais elle peut aussi être aussi grande qu'un écran d'ordinateur ou même encore plus grande. De telles surfaces sensibles sont généralement constituées de deux films sur lesquels sont réalisés des dépôts conducteurs. Les deux films sont placés l'un sur l'autre, les dépôts conducteurs se faisant face. Au repos, les deux films sont maintenus à distance l'un de l'autre de telle sorte que les dépôts conducteurs ne se touchent pas. Lorsqu'un utilisateur vient alors effleurer le film accessible, les dépôts conducteurs viennent localement au contact l'un de l'autre fermant ainsi un circuit électrique. L'utilisation de telles surfaces sensibles permet de réaliser des commandes tactiles sensibles à un appui ponctuel du doigt d'un utilisateur mais aussi pour des commandes sensibles à un déplacement de ce doigt au niveau de la surface de la commande. Dans ce cas, au moins une zone résistive est prévue au niveau des films. Ainsi, lorsque le doigt de l'utilisateur se déplace sur la surface sensible, une variation de résistance du circuit électrique créée par l'appui du doigt est réalisée. La mesure de cette résistance permet alors de conna^'tre la position du doigt et un mouvement peut ainsi être détecté. On conna^'t ainsi par exemple des surfaces sensibles dites "de type résistive". Elles com portent deux plans résistifs placés en vis à vis et mainten us à distance l'un de l'autre au repos. Quand un doigt appuye sur la surface sensible, celle-ci se déforme et un contact électrique se crée entre les deux surfaces. Chaque plan résistif est un fllm, généralement en matière synthétique, recouvert d'une fine couche métallique, par exemple un oxyde d'indium, et dont deux bords opposés sont munis chacun d'une électrode. Pour réaliser la surface sensible, les deux films résistifs sont disposés de telle sorte que les électrodes d'un film soient sensiblement perpendiculaires aux électrodes de l'autre film. La position du doigt exerçant une pression sur la surface sensible est alors déterminée en appliquant une tension entre les deux électrodes d'un film et en mesurant la tension induite au niveau des électrodes de l'autre film. Le rapport potentiométrique détermine alors la position relative du doigt suivant un des axes. En réalisant ainsi deux mesures, on conna^'t la position du doigt sur la surface sensible. Ces surfaces sensibles de type résistives permettent également de détecter un mouvement du doigt mais ne permettent pas de déterminer avec quelle pression l'utilisateur appuye sur la surface sensible. Pour obtenir ce type de renseignement, il est habituel d'utiliser une surface sensible dite "de type capacitif". On retrouve principalement dans une telle surface sensible un support (film) recouvert d'une couche conductrice, elle-même recouverte d'une très fine couche isolante. Toutefois, lorsqu'un doigt est en appui sur la surface sensible, on mesure ici la capacité entre le doigt et la couche conductrice et non plus seulement une résistance. Dans ce type de surface sensible, le niveau de pression exercé par un doigt peut être détecté, car plus l'utilisateur appuye fort avec son doigt, plus la surface en contact avec l'isolant est grande et plus alors la capacité mesurée est forte. Pour conna^'tre la position du doigt soit la couche conductrice est réalisée sous forme de matrice de conducteurs (dans ce cas, il y a un très grand nombre de fils à piloter), soit cette couche est une couche résistive (et dans ce cas la pression du doigt n'est pas mesurée). Les constantes de temps, RC sont alors mesurées en seulement quelques points. Les inconvénients des systèmes capacitifs sont leur coût (isolant extrêmement fin et devant être très résistant à l'usure) et l'interdiction de l'usage de gants. La présente invention a alors pour but de fournir un dispositif résistif permettant à la fois de déterminer la position d'un doigt d'un utilisateur et le niveau de pression exercé par ce doigt. A cet effet, la surface sensible au toucher qu'elle propose est une surface sensible, comportant deux films se faisant face ainsi que des moyens permettant de maintenir ces deux films à distance l'un de l'autre lorsque aucune pression n'est exercée sur la surface. Selon l'invention, chaque film comporte sur sa face tournée vers l'autre film: - un réseau de pistes conductrices ne se touchant pas les unes les autres et présentant chacune une résistance faible, - une bande résistive, et - des éléments résistifs, chaque élément résistif reliant une piste conductrice à la bande résistive. Une telle surface sensible est de type résistif et permet aussi de mesurer un niveau de pression grâce à la présence des éléments résistifs disposés entre les pistes conductrices et les bandes résistives. En effet, lorsqu'un contact est établi entre les deux films, il sufffit alors de mesurer la résistance de l'ensemble formé par les pistes et les éléments résistifs correspondant aux pistes en contact électrique pour avoir une indication sur le niveau de pression exercé sur la surface sensible. En effet, la résistance de cet ensemble dépend du nombre de lignes et de colonnes en contact les unes avec les autres. Dans une forme de réalisation préférée, la bande résistive de chaque film est réalisée sur un bord de ce film. Pour une gestion plus aisée du système, on prévoit avantageusement que les pistes conductrices forment, sur chaque film, un réseau de lignes sensiblement parallèles. Dans une forme de réalisation préférée, la résistance d'une bande résistive est sensiblement inférieure à la résistance de chaque élément résistif reliant une piste conductrice à cette bande résistive. Les bandes résistives et les éléments résistifs sont par exemple en carbone, sérigraphié sur le film correspondant. Pour permettre la mesure de la position du point de contact et aussi du niveau de pression exercé sur la surface sensible, une forme de réalisation avantageuse prévoit que chaque extrémité de bande résistive est reliée à un port de connexion, et qu'une extrémité est reliée à son port de connexion par l'intermédiaire d'un composant résistif de résistance connue monté en parallèle avec une diode. Dans une autre forme de réalisation, chaque extrémité de bande résistive est reliée à un port de connexion, une extrémité est reliée à son port de connexion par l'intermédiaire d'un composant résistif de résistance connue et un port de connexion supplémentaire, relié à la surface sensible entre le composant résistif et la bande résistive correspondante, est prévu. La présente invention concerne également un procédé de mesure d'un niveau de pression exercé sur une surface sensible au toucher comportant deux films équipés chacun d'un réseau de pistes conductrices. Dans ce procédé de mesure selon l'invention, à chaque piste conductrice est associé un élément résistif de résistance connue et une mesure de la résistance équivalente à la résistance des éléments résistifs se trouvant en série et en parallèle, suite à une mise en contact d'au moins deux pistes conductrices, est réalisée. Dans ce procédé de mesure d'un niveau de pression, la mesure de résistance équivalente est par exemple réalisée en mesurant un potentiel. Cette mesure de potentiel est par exemple réalisée de telle sorte que les éléments résistifs se trouvant en série et en parallèle sont placés en série avec au moins un composant résistif et que la mesure de tension est effectuée aux bornes de l'ensemble des éléments résistifs et d'éventuellement un ou plusieurs composants résistifs de résistance connue ou négligeable. Les détails et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description qui suit, faite en référence au dessin schématique annexé, sur lequel: Figure 1 est une vue de dessus éclatée d'une surface sensible selon l'invention, Figure 2 illustre le dispositif de mesure de pression lorsqu'une faible pression est exercée sur la surface sensible de la figure 1, Figure 3 correspond à la figure 2 pour un niveau de pression supérieur, Figure 4 est une vue correspondant à la figure 2 lors d'une mesure de position selon un premier axe, Figure 5 est une vue correspondant à la figure 3 pour une mesure de position selon un second axe, et Figure 6 est une vue de détail des figures 2 à 5 pour une variante de réalisation. La figure 1 montre deux films se faisant face, un film supérieur 2 et un film inférieur 4. Sur sa face tournée vers le film inférieur 4, le film supérieur 2 présente un ensemble de lignes 6 parallèles s'étendant sur quasiment toute la longueur du film supérieur 2. Ces lignes 6 sont équidistantes les unes des autres et sont toutes identiques. Elles sont réalisées par dépôt d'une fine couche de matériau conducteur, par exemple une couche métallique (argent). Sur sa face tournée vers le film supérieur 2, le film inférieur 4 présente un ensemble de colonnes 8 parallèles. Ces colonnes 8 s'étendent sur quasiment toute la largeur du film inférieur 4 et sont équidistantes les unes des autres. Toutes les colonnes 8 sont identiques. De même que les lignes 6, elles sont réalisées par dépôt de matériau métallique (exemple argent). Comme montré au dessin, les colonnes 8 sont orientées de telle sorte qu'elles soient perpendiculaires aux lignes 6. Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 1, les lignes et colonnes sont parfaitement rectilignes. Toutefois, d'autres formes de réalisation sont envisageables. Les extrémités des lignes 6 situées à droite sur la figure 1 sont toutes reliées par l'intermédiaire d'un élément résistif 10 à une bande résistive 12. Ces éléments résistifs 10 et la bande résistive 12 sont par exemple réalisés par sérigraphie. Le matériau utilisé pour ces éléments résistifs 10 et la bande résistive 12 est par exemple du carbone. De même, sur le film inférieur 4, les extrémités des colonnes conductrices 8, situées sur la figure 1 vers le bas, sont toutes reliées par l'intermédiaire d'un élément résistif 14 à une bande résistive 16. Ici aussi, ces éléments résistifs 14 et la bande résistive 16 sont réalisés en carbone par sérigraphie. La bande résistive 12 est équipée à chacune de ses extrémités d'une paKe de liaison 18, 20 permeKant notamment de relier la bande résistive 12 à un dispositif de mesure. De même, la bande résistive 16 est munie de paKes de liaison 22, 24 à chacune de ses extrémités. Les deux films 2, 4 sont de dimensions identiques. Pour former la surface sensible, ces deux films sont superposés en maintenant toutefois un léger espace entre eux lorsqu'aucune pression n'est exercée sur l'un ou l'autre film. Des billes d'espacement isolantes (non représentées au dessin) réparties dans I'espace séparant les deux films 2, 4 permeKent de maintenir les lignes 6 distantes des colonnes 8 lorsqu'aucune pression n'est exercée sur les films 2, 4. Lorsque le film inférieur 4 est placé sur un support et qu'une pression est exercée localement, par exemple en venant toucher le film supérieur 2 avec un index d'un utilisateur, une ligne 6 vient au contact d'une colonne 8. On peut alors détecter qu'il y a eu contact et on peut également déterminer le niveau de pression du contact ainsi que la position du point de contact comme décrit ci- après. Les figures 2 à 5 représentent schématiquement, en partie, la surface sensible représentée sur la figure 1. Sur ces figures, on a schématisé les bandes résistives 12 et 16, les pattes de liaison 18, 20, 22 et 24, une ou plusieurs lignes 6 avec les éléments résistifs 10 correspondants ainsi qu'une ou plusieurs colonnes 8 avec les éléments résistifs 14 correspondants. On remarque que chaque patte de connexion est reliée à un port de connexion. Ainsi, la patte de connexion 18 est reliée à un port de connexion 19, la patte de connexion 20 est reliée à un port de connexion 21, la patte de connexion 22 est reliée à un port de connexion 23 et la patte de connexion 24 est reliée à un port de connexion 25. On remarque en outre qu'un composant résistif 26, monté en parallèle avec une diode 28, est disposé entre le port de connexion 21 et la bande résistive 12. On suppose dans la suite de la description que chaque bande résistive 12, 16 a une résistance r, tandis que chaque élément résistif 10, 14 a une résistance R. Comme montré au dessin, le composant résistif 26 a, quant à lui, une résistance R/5. Sur les figures 2 à 5, le point de contact entre les deux films 2 et 4 porte la référence 30. Ce point de contact correspond à une ou plusieurs colonnes 8. La résistance de la portion de bande résistive 16 se trouvant entre la (ou les) colonne(s) 8 correspondant au point de contact 30 et la patte de liaison 22 à une valeur r.x, x étant inférieur ou égal à 1. Ainsi, le reste de la bande résistive entre la (ou les) colonne(s) correspond au point de contact 30 et la patte de liaison 24 sera alors r. (1-x). De même, pour la bande résistive 12, on définit un coefficient y (0 Sur la figure 2, on a représenté le cas de figure d'un appui faible sur la surface sensible. Dans ce cas de figure, une seule ligne 6 est au contact d'une seule colonne 8. Sur la figure 3, un appui plus fort est réalisé et ce sont trois lignes 6 qui sont en contact électrique avec trois colonnes 8. La détermination du niveau de pression est alors réalisée comme indiqué ci-après. Pour réaliser la mesure, on applique aux deux extrémités de la bande résistive 16 une même tension appelée Va. Les ports de connexion 23 et 25 se trouvent donc au potentiel Va. Le port 21 est quant à lui mis à la masse, c'est-à dire qu'il est au potentiel 0. Au niveau du quatrième port 19, on effectue une mesure de potentiel. L'appareil utilisé pour réaliser cette mesure de tension a une forte impédance par rapport à celles du circuit. On appelle Vp le potentiel au niveau du port 19. On remarque que les éléments résistifs 10 et 14 de la figure 2 sont en série. La résistance équivalente à ces éléments résistifs vaut donc 2R. Aucun courant ne pouvant circuler dans la partie de la bande résistive 12 se trouvant au-delà de la ligne 6 vers le port 19 (impédance quasi infinie), la loi d'Ohm donne l'équation suivante: (1) Vp = Va (R/5 + r. y) / (r(x-x2) +2R + R/5 + r.y) Si l'on suppose en outre: (2) r équivalente diminue. La figure 4 montre comment, avec le même dispositif, il est également possible de mesurer la position du point de contact 30 par rapport à la bande résistive 16, c'est-à-dire déterminer la valeur x. Pour ce faire, une différence de potentiel est appliquée aux bornes de la bande résistive 16 et on mesure le potentiel de cette bande résistive 16 au niveau de la colonne 8 (ou de l'élément résistif 14) correspondant au point de contact 30. Le port de connexion 23 est alors mis à la masse (potentiel nul) et le port 25 à un potentiel Va. La mesure de potentiel au niveau de l'élément résistif 14 est réalisée au niveau de la bande résistive 12. Le port 21 reste par exemple débranché ce qui est équivalent à le connecter à une haute impédance (Hl). La mesure de tension est alors effectuée au niveau du port de connexion 19 et on mesure un potentiel VH L'appareil pour mesurer ce potentiel a une forte impédance. Aucun courant ne circule donc dans les éléments résistifs 10 et 14, ni dans la bande résistive 12. Le potentiel VH mesuré est directement proportionnel à la position de la colonne 8 par rapport à la bande résistive 16. On a alors l'équation suivante: (7) X = VH Na De la même manière, on mesure la position du point de contact 30 par rapport à la bande résistive 12. Dans ce cas, une différence de potentiel est appliquée aux bornes de la bande résistive 12 et le potentiel au niveau des lignes 6 correspondant au point de contact 30 est mesuré au niveau de la bande résistive 16. Dans ce cas là, on met à la masse le port de connexion 19 (potentiel nul) et on alimente le port de connexion 21 avec un potentiel Va. L'un des ports 23 ou 25 est déconnecté (ou relié à une impédance infinie Hl) tandis que l'autre port, par exemple 25, est connecté à un dispositif de mesure de tension pour mesurer le potentiel Vv au niveau des lignes 6 correspondant au point de contact 30. Dans ce cas de figure, on remarque que toute la différence de potentiel Va ne se retrouve pas aux bornes de la bande résistive 12. En effet, la diode 28 est bloquée et il appara^'t à ces bornes une tension de l'ordre de 0,6V. Pour la détermination de la valeur y, I'équation diffère donc légèrement de l'équation (7) et l'on a: (8) y = Vv /(Va-0,6V) Ces mesures de position du point de contact peuvent par exemple être réalisées dès lors qu'un contact entre les deux films a été détecté et que le niveau de pression associé à ce contact a été mesuré. On peut également prévoir d'effectuer périodiquement un cycle de mesure: pression, position x, position y. Suivant la périodicité de ce cycle de mesure, il devient possible de réaliser un suivi d'un mouvement d'un doigt sur la surface sensible. Le dispositif tel que décrit ci-dessus permet donc avec seulement quatre ports de connexion de mesurer sur la surface sensible non seulement la position d'un point de contact mais également un niveau de pression associé à ce point de contact. De plus, le prix de revient de cette surface sensible est très nettement inférieur au prix d'une surface sensible de type capacitif. La surface sensible décrite présente, de plus, le grand avantage de pouvoir être transparente. Les pistes conductrices réalisées par dépôt métallique peuvent être très étroites par rapport à leur espacement. Seuis les bandes résistives et les éléments résistifs sont opaques. Toutefois, ces éléments peuvent être reportés sur les bords de la surface sensible et leur opacité n'est alors généralement pas gênante. La figure 6 montre une légère variante de réalisation des dispositifs représentés sur les figures 2 à 5. Dans cette variante, la diode 28 est supprimée. En revanche, un nouveau port 32 est rajouté. Ce cinquième port 32 est relié au système entre le composant résistif 26 et la bande résistive 12. Ce port 32 est utilisé pour réaliser les mesures de position du point de contact tandis que le port 21 est utilisé, comme décrit plus haut, pour déterminer le niveau de pression du contact réalisé au niveau de la surface sensible. La présente invention ne se limite pas aux formes de réalisation décrites ci-dessus à titre d'exemples non limitatifs mais concerne également toutes les variantes de réalisation à la portée de l'homme du métier dans le cadre des revendications ci-après. Ainsi par exemple la géométrie de la surface sensible décrite peut être modifiée. Les pistes conductrices ne sont pas forcément rectilignes et on peut par exemple imaginer des pistes non pas parallèles mais placées en éventail (ou différemment). Les matériaux indiqués le sont à titre d'exemple et peuvent être remplacés par d'autres matériaux équivalents. La description faite cidessus l'est en référence à une surface sensible transiucide car la présente invention est particulièrement adaptée à de telles surfaces sensibles. Toutefois des surfaces opaques peuvent utiliser la même structure. Des procédés différents peuvent être utilisés pour réaliser la mesure du niveau de pression au niveau du point de contact. Dans l'invention, il est essentiel de mesurer une résistance significative du niveau de pression ou, ce qui est équivalent, un potentiel dont la valeur dépend de cette résistance. REVENDICATIONS 1. SuRace sensible au toucher, comportant deux films (2, 4) se faisant face ainsi que des moyens permettant de maintenir ces deux films à distance l'un de l'autre lorsque aucune pression n'est exercée sur la surface' caractérisée en ce que chaque film (2, 4) comporte sur sa face tournèe vers l'autre film: - un réseau de pistes conductrices (6, 8) ne se touchant pas les unes les autres et présentant chacune une résistance faible, - une bande résistive (12,16), et - des éléments résistifs (10, 14), chaque élément résistif (10, 14) reliant une piste conductrice (6, 8) à la bande résistive (12,16). 2. Surface sensible selon la revendication 1, caractérisée en ce que la bande résistive (12,16) de chaque film (2,4) est réalisée sur un bord de ce film. 3. Surface sensible selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que les pistes conductrices (6, 8) forment sur chaque film un réseau de lignes sensiblement parallèles. 4. Surface sensible selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la résistance (r) d'une bande résistive (12, 16) est sensiblement inférieure à la résistance (R) de chaque élément résistif (10, 14) reliant une piste conductrice (6, 8) à cette bande résistive (12,16). 5. Surface sensible selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les bandes résistives (12, 16) et les éléments résistifs (10, 14) sont en carbone sérigraphié sur le film (2, 4) correspondant. 6. Surface sensible selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que chaque extrémité de bande résistive (12, 16) est reliée à un port de connexion (19, 21, 23, 25), et en ce qu'une extrémité est reliée à son port de connexion (21) par l'intermédiaire d'un composant résistif (26) de résistance (R/5) connue monté en parallèle avec une diode (28). 7. Surface sensible selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque extrémité de bande résistive (12, 16) est reliée à un port de connexion (19, 21, 23, 25), en ce qu'une extrémité est reliée à son port de connexion (21) par l'intermédiaire d'un composant résistif (26) de résistance connue (R/5) et en ce qu'un port de connexion supplémentaire (32), relié à la 2831 707 surface sensible entre le composant résistif (26) et la bande résistive (12) correspondante, est prévu. 8. Procédé de mesure d'un niveau de pression exercé sur une surface sensible au toucher selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, ladite surface sensible comportant deux films (2, 4) équipés chacun d'un réseau de pistes conductrices (6, 8), le dit procédé étant caractérisé en ce qu'à chaque piste conductrice (6, 8) est associé un élément résistif (10, 14) de résistance connue (R) et en ce qu'une mesure de la résistance équivalente à la résistance des éléments résitifs se trouvant en série et en parallèle, suite à une mise en contact d'au moins deux pistes conductrices, est réalisée. 9. Procédé de mesure d'un niveau de pression selon la revendication 8, caractérisé en ce que la mesure de résistance équivalente est réalisée en mesurant un potentiel. 10. Procédé de mesure selon la revendication 9, caractérisé en ce que les éléments résistifs se trouvant en série et en parallèle sont placés en série avec au moins un composant résistif (26), et en ce que la mesure de tension est effectuée aux bornes de l'ensemble des éléments résistifs (10, 14) et d'éventuellement un ou plusieurs composants résistifs de résistance connue ou