Brevet FR2890762A1 — publié le 20070316

Dispositif de détermination d'une position relative pour capteurs de force sensibles à la pression et procédé de mise en oeuvre La présente invention est relative à un dispositif de détermination d'une position 5 relative pour capteurs de force sensibles à la pression et un procédé mis en oeuvre par le dispositif. Dans le domaine des capteurs tactiles, une technologie utilisant des résistances sensibles à la pression (également connu sous le nom capteur FSR pour Force Sensing Resistor))) devance de plus en plus d'autres technologies équivalentes, comme par io exemple des technologies capacitives ou encore optiques grâce à sa facilité de mise en oeuvre et sa robustesse. De tels capteurs sont par exemple connu sous le nom tablette digitalisante (dénomination anglaise "Digitizer pad") et on cite comme art antérieur les documents suivants: US 4,810,992, US 5,008,497, FR 2683649 ou encore EP 0 541 102. is Ces capteurs comprennent des couches semi-conductrices prises en sandwich entre par exemple une couche conductrice et une couche résistive. En exerçant une pression sur la couche FSR, sa résistance ohmique diminue permettant ainsi, par application d'une tension adaptée, de mesurer la pression appliquée et / ou la localisation de l'endroit où la pression est exercée. Les documents US 5,008,497 et EP 0 541 102 présentent chacun une méthode pour déterminer la position d'appui sur le capteur. Ces méthodes sont basées sur le principe du pont diviseur. Toutefois, les méthodes précisées ci-dessus nécessitent des composants électroniques d'une grande précision ayant un coût élevé. La présente invention vise à proposer un procédé de détermination d'une position relative pour capteurs de force sensibles à la pression qui soit à la fois robuste pour une utilisation par exemple dans le domaine automobile et simple de façon que des SFR5045 i0 15 25 composants électroniques bas de gamme puissent être utilisés pour la détermination de la position d'appui. De façon indépendante, selon un autre aspect, la présente invention vise à proposer une solution au problème des transitoires intervenant lorsqu'il y a un 5 changement d'état, c'est-à-dire appui ou non, au cours d'un échantillon de mesure. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de détermination d'une position linéaire pour capteurs de force sensibles à la pression, comprenant É un composant résistif définissant selon une dimension de commande une résistance linéaire dont une borne est raccordée à la masse et dont l'autre borne est raccordée à un potentiel d'alimentation, É une couche associée à semi-conducteur sensible à la pression de manière à diminuer sa résistivité ohmique localement à l'endroit où une pression est exercée sur cette couche, cette couche étant placée avec une face contre le composant résistif et l'autre surface étant raccordée à une entrée d'une résistance de référence de manière qu'un appui sur la couche à semi-conducteur raccorde la résistance de référence à un point spécifique de la résistance linéaire de façon à former un circuit équivalent à un potentiomètre, caractérisé en ce qu'il comprend en outre É des moyens de commutation permettant de brancher la sortie de la résistance de référence alternativement et séquentiellement à la masse et au potentiel d'alimentation, É des moyens de mesure d'une tension entre l'entrée de la résistance de référence et la masse, et É des moyens de calcul d'une position relative de l'appui en fonction des tensions mesurées entre l'entrée de la résistance de référence et la masse quand la sortie de la résistance de référence est connectée d'une part à la masse et d'autre part au potentiel d'alimentation. SFR5045 25 Par ailleurs, l'invention a pour objet un module de commande pour véhicule automobile, en particulier pour la commande de lève-vitres électriques, de rétroviseurs, de la position des phares, d'un système de climatisation, d'un mécanisme d'ouverture électrique de toit, d'un rideau électrique, d'un système audio ou d'un système de navigation, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un dispositif susmentionné selon l'invention. Enfin, l'invention a pour objet un procédé de détermination d'une position linéaire pour capteurs de force sensibles à la pression, dans lequel un composant résistif définissant selon une dimension de commande une io résistance linéaire est raccordé avec une borne à la masse et avec l'autre borne à un potentiel d'alimentation, une couche associé à semi- conducteur sensible à la pression de manière à diminuer sa résistivité ohmique localement à l'endroit où une pression est exercée sur cette couche, est placée avec une face contre la composant résistif et l'autre surface est raccordée à une entrée d'une résistance de référence de manière qu'un appui sur la couche à semi-conducteur raccorde la résistance de référence à un point spécifique de la résistance linéaire de façon à former un circuit équivalent à un potentiomètre, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes É on branche la sortie de la résistance de référence à la masse É on mesure une première tension entre l'entrée de la résistance de référence et la masse, É on branche la sortie de la résistance de référence au potentiel d'alimentation, É on mesure une seconde tension entre l'entrée de la résistance de référence et la masse, on calcule la position de l'appui en fonction des première et seconde tensions mesurées SFR5045 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple, sans caractère limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 montre un schéma synoptique d'un circuit d'un dispositif selon l'invention, et la figure 2 présente trois diagrammes en fonction du temps de deux tensions de mesure et de la force d'appui sur le dispositif. Un exemple de réalisation non limitatif de l'invention sera décrit par la suite en relation aux figures annexées. io La figure 1 représente de façon schématique le circuit électrique d'un dispositif 1 de détermination d'une position linéaire pour capteurs de force sensibles à la pression. Plus en détail, ce dispositif 1 comprend un composant résistif définissant selon une dimension de commande une résistance linéaire R dont une borne 3 est raccordée à la masse et dont l'autre borne 5 est raccordée à un potentiel d'alimentation. Le potentiel d'alimentation possède une valeur d'environ 5V et est désigné par ValimÉ Ce composant résistif peut posséder une forme structurelle quelconque du moment que entre les deux bornes précitées de raccordement, une dimension linéaire de commande équivalent à une résistance linéaire est définie. Par résistance linéaire, on comprend un matériau conducteur qui possède une certaine résistance ohmique et dont la forme générale est allongée. Dans le présent exemple, on a représenté une forme rectangulaire, diverses formes allongées, par exemple en arc de cercle ou en serpentin sont possibles sans déroger à l'esprit de la présente invention. Le dispositif comprend de plus une couche associée à semi-conducteur FSR sensible à la pression de manière à diminuer sa résistivité ohmique localement à l'endroit où une pression est exercée sur cette couche. De préférence, cette couche FSR possède à peu près les mêmes dimensions que le composant résistif R. De façon connue pour les capteurs du type FSR et non représenté sur la figure, la couche FSR est placée avec une face contre le composant résistif et l'autre surface étant raccordée, par exemple via un film conducteur déposé sur cette face à une entrée d'une résistance de référence Rref. S F R5045 De préférence, la valeur de la résistance de référence est choisie selon la relation suivante: 0,25 R Rref où R est la résistance totale sur toute sa longueur de commande du composant résistif, et Rref est la résistance de la résistance de référence. On a représenté la couche FSR avec une double flèche sur le circuit pour illustrer que sa résistance ohmique varie en fonction de l'appui ou non sur cette couche. Ainsi, un appui, par exemple avec un doigt, diminue de façon importante la résistance io ohmique de la couche FSR au niveau de la zone d'appui et la couche linéaire FSR raccorde la résistance de référence Rref à un point spécifique 7 du composant résistif R, c'est-à-dire au point d'appui, de façon à former un circuit équivalent à un potentiomètre. Des moyens 8 de mesure d'une tension entre l'entrée de la résistance de référence Rref et la masse sont raccordés au point 9 du circuit. Ces moyens 8 peuvent être réalisés par tout circuit approprié. Dans le cas présent, ils sont réalisés par un amplificateur opérationel 11 branché en mode suiveur suivi d'une unité de contrôle et traitement 13 assurant, entre-autres, la conversion analogique -digitale de la tension mesurée. Cette unité peut être réalisé sous forme d'un microcontrôleur, d'un ASIC ou encore d'un convertisseur analogique / numérique. Selon un aspect avantageux de l'invention, le dispositif 1 comprend des moyens 15 de commutation permettant de brancher la sortie de la résistance de référence Rref alternativement et séquentiellement (représenté par les flèches 17) à la masse et au potentiel d'alimentation Valim. La commutation des moyens 15 est commandée par l'unité 13 (voir flèche 19 en pointillé) de manière à connecter pendant un intervalle prédéfini d'échantillonage alternativement et séquentiellement la sortie 16 de la résistance de référence à la masse puis à la tension d'alimentation Vatim. La durée de l'intervalle d'échantillonage est choisie entre 200ps et 1 ms, de préférence entre 400ps et 600ps, en particulier aux environ de 500ps. Cette durée est SFR5045 choisie en accord avec les gestes ergonomiques définis pour la commande de ce dispositif et dépend de la réactivité temporelle que l'on souhaite obtenir. La sortie de l'unité 13 est branchée à l'entrée de moyens 21 de calcul de la position relative de l'appui en fonction des tensions mesurées entre l'entrée de la résistance de référence Rfef et la masse, quand la sortie de la résistance de référence est connectée d'une part à la masse et d'autre part au potentiel d'alimentation. Pour la définition, on considère que VI est la tension entre l'entrée 9 de la résistance de référence Rfef et la masse lorsque la sortie de celle- ci est connectée à la masse, et V2 est la tension mesurée entre l'entrée 9 de la résistance de référence Rfef et la io masse lorsque la sortie de celle-ci est connectée à la tension d'alimentation Valim. Le déroulement de la mesure sur le plan temporel sera détaillé plus loin en relation avec la figure 2. En prenant donc les définitions ci-dessus, la position relative d'appui X est déterminée par les moyens de calcul 21 en utilisant la formule suivante: X = V, Valim (V2 V)] Cette position d'appui est bien entendu une position relative possédant une valeur de 1 à l'extrémité du composant résistif raccordée à tension d'alimentation Vaiim et de 0 à l'extrémité du composant résistif raccordée à la masse. En effet, on constate dans le montage de la figure 1 que la résistance entre la 20 masse et le point d'appui 7 possède la valeur X*R, alors que la résistance entre le point d'appui 7 et la borne 5 possède la valeur (1X)*R. Bien entendu, la position absolue se déduit aiément en multipliant X avec la longueur total de commande du composant résistif. Comme on peut le constater, la détermination de la position d'appui se fait avantageusement indépendamment de la pression exercée par un utilisateur. Afin d'empêcher toute commande intempestive les moyens de calcul 21 sont adaptés de manière à calculer seulement une position si pour un nombre prédéfini d'échantillons (entre 1 à 5 échantillons), la condition suivante est remplie: Va lin > (V2 VI) SFR5045 Par cette condition, on impose qu'il y a effectivement un appui volontaire par un utilisateur sur la couche FSR. De façon facultative, en particulier si on souhaite définir des zones mortes non sensibles aux extrémités du composant résistif, on peut ajouter comme conditions supplémentaires pour effectuer le calcul que la tension entre l'entrée de la résistance de référence Rfef et la masse est supérieure à une première valeur seuil Viseu lorsque la résistance de référence est connectée à la masse et la tension entre l'entrée de la résistance de référence Rfef et la masse est inférieure à une seconde valeur seuil V2seuil lorsque la résistance de référence est connectée à la tension d'alimentation VaumÉ to Le fonctionnement du dispositif selon l'invention sera maintenant décrit en relation avec la figure 2. La figure 2 présente trois diagrammes temporelles 30, 31, 32 dont l'échelle temporelle en abscisse est divisée en périodes de 500ps correspondant à la durée d'un échantillon de mesure. Pour faciliter la description, les intervalles de temps successives ont été dénommées lj 1j+1, lj+2, où j est simplement un nombre naturel quelconque. Le diagramme 30 présente en ordonnées la force F d'appui sur le dispositif de mesure. Selon l'exemple choisi, la force F est nulle lors des intervalles Ij à Ij+4, puis, on constate un appui avec une certaine force au cours de l'intervalle Ii+S et cette force d'appui reste constante lors des intervalles suivantes Ij+6 à lj+g. Le diagramme 31 représente en trait plein la tension V1 entre l'entrée de la résistance de référence Rfef et la masse lorsque la sortie de celle-ci est connectée à la masse et en trait pointillé le fait que que la sortie de Rref est connectée à la tension d'alimentation Vai;m pour la mesure de V2 [par conséquent, V1 n'est pas mesurable pendant cette période là]. Les cercles 35 avec un motif de damier représentent les instants de mesure de V1. On voit donc que V1 est mesurée chaque milliseconde et que la sortie de Rref est connectée à la masse environ 300 à 100ps avant le point de mesure 35 permettant la stabilisation au préalable de la tension à mesurer. On constate que jusqu'au moment d'appui lors de la période Ij+5, la tension V1 est 30 inférieure à la tension de seuil prédéfini V1 seuil de sorte qu'aucun calcul n'est effectué par SFR5045 les moyens de calcul 21. Puis, on peut mesurer une certaine valeur supérieure à V, seuil au début des intervalles Ij+6 et Ij+8. Le diagramme 32 représente en trait plein la tension V2 entre l'entrée de la résistance de référence (Rref) et la masse lorsque la sortie de celleci est connectée à tension d'alimentation Valim et en trait pointillé le fait que que la sortie de Rref est connectée à la masse pour la mesure de VI [par conséquent, V2 n'est pas mesurable pendant cette période là]. Ce diagramme se lit de la même façon que le diagramme 31 et les cercles 37 représentent les instants de mesure de V2. On observe donc bien sur ces diagrammes 31 et 32 la connexion en alternance de ro la sortie de Rref à la masse et à la tension d'alimentation Valim ainsi qu'une alternance des mesures VI et V2 qui peuvent être avantageusement réalisées par les mêmes moyens de mesure 8. En outre, jusqu'au moment d'appui lors de la période Ii+5, la tension V2 est supérieure à la tension de seuil prédéfinie V2seuil de sorte qu'aucun calcul n'est effectué par les moyens de calcul 21. Puis, on peut mesurer une certaine valeur inférieure à V2seuil au début des intervalles lj+7 et lj+9. Avantageusement, le dispositif comprend en outre des moyens 40 (voir figure 1) pour détecter un transitoire lors d'un échantillon de mesure et des moyens inhibant, lors du calcul de la position de l'appui, la prise en compte des valeurs de mesure de tensions mesurées lorsqu'un transitoire a été détecté pendant un échantillon de mesure. En effet, l'élimination de tels transitoires est importante, car dans le calcul de la position relative X, la prise en compte dans le calcul d'un transitoire aboutirait à une position érronée et donc non souhaitée par l'utilisateur. Ces moyens 40 pour détecter un transitoire lors d'un échantillon de mesure et des 25 moyens inhibants sont incorporés dans l'unité de traitement 13. Ces moyens 40 comprennent des moyens de comparaison de la tension mesurée entre au moins deux échantillons successifs possédant le même état de commutation, c'est-à-dire soit un état de commutation connectant la sortie de la résistance de référence à la masse ( intervalles li+2k (k étant un nombre naturel)) , soit un état de commutation connectant la sortie de la résistance de référence à la tension d'alimentation SFR5045 (intervalles Ij+2k+1 (k étant un nombre naturel)). Un échantillon est considéré comme comportant un transitoire lorsque la différence de tension avec les échantillons précédants dépasse une valeur seuil de différence prédéfini. Selon l'exemple, la tension V1 mesurée au début de l'intervalle Ij+6 est comparée à celle mesurée au début de l'intervalle 1 +4 et comme l'écart entre les deux tensions mesurées est importante, les moyens 40 concluent qu'il y a eu un transitoire entre-temps. De façon analogue, la tension V2 mesurée au début de l'intervalle 1 +7 est comparée à celle mesurée au début de l'intervalle 1 +5 et comme l'écart entre les deux tensions mesurées est importante, les moyens 40 concluent qu'il y a eu un transitoire entre-temps. io Dans ces conditions le dispositif garde un signal de sortie correspondant au signal de sortie précédent. En revanche, la tension V1 mesurée au début de l'intervalle I1+8 est proche ou égale à celle mesurée au début de l'intervalle I1+6 et la tension V2 mesurée au début de l'intervalle lj+9 est égale à celle mesurée au début de l'intervalle I1+7 de sorte que les is moyens 21 calculent la position relative X d'appui et peuvent le repecuter lors de l'intervalle Ij+9. Ainsi, on repercute un signal d'appui avec un léger retard. On comprend donc que ce dispositif permet avec des moyens électroniques limités et simples de faire une mesure précise de la position d'un capteur du type FSR. Ce dispositif est bien adapté pour être utilisé dans un module de commande pour véhicule automobile, en particulier pour la commande des lève-vitres électriques, des rétroviseurs, de la position des phares, d'un système de climatisation, d'un mécanisme d'ouverture électrique de toit. Selon un autre développement avantageux de la présente invention, on envisage d'appliquer le même procédé de mesure et une disposition analogue à un composant résistif à deux dimensions, par exemple de forme carrée en appliquant respectivement 2 bornes de connexion à la tension d'alimentation et à la masse aux côtés opposés du carrée. Pour une mesure de la position relative en X et on procède comme décrit ci-dessus en alimentant les bornes du composant résistif définissant cette dimension linéaire de commande. SFR5045 io Puis, pour la mesure d'une position relative en Y, de préférence orthogonale à la dimension linéaire en X, et on procède aussi comme décrit ci-dessus, mais en alimentant les bornes du composant résistif définissant cette dimension linéaire de commande en Y. Dans ce cas, on envisage d'augmenter la fréquence d'échantillonage. On voit de plus qu'une telle solution est très peu coûteuse, étant donné que tout le circuit électrique de mesure, de traitement et de calcul peut rester inchangé. SFR5045 15 REVENDICATIONS 1. Dispositif (1) de détermination d'une position linéaire pour capteurs de force 5 sensibles à la pression, comprenant É un composant résistif définissant selon une dimension de commande une résistance linéaire (R) dont une borne (3) est raccordée à la masse et dont l'autre borne (5) est raccordée à un potentiel d'alimentation (Vaiim), É une couche associée à semi-conducteur (FSR) sensible à la pression de manière à diminuer sa résistivité ohmique localement à l'endroit où une pression est exercée sur cette couche, cette couche (FSR) étant placée avec une face contre le composant résistif (R) et l'autre surface étant raccordée à une entrée d'une résistance de référence (Rref) de manière qu'un appui sur la couche à semi-conducteur (FSR) raccorde la résistance de référence (Rref) à un point spécifique (7) de la résistance linéaire (R) de façon à former un circuit équivalent à un potentiomètre, caractérisé en ce qu'il comprend en outre É des moyens de commutation (15) permettant de brancher la sortie (16) de la résistance de référence alternativement et séquentiellement à la masse et au potentiel d'alimentation (Vaiim), É des moyens (8) de mesure d'une tension entre l'entrée (9) de la résistance de référence (Rref) et la masse, et É des moyens de calcul (21) d'une position relative de l'appui en fonction des tensions mesurées entre l'entrée de la résistance de référence (Rref) et la masse quand la sortie (16) de la résistance de référence est connectée d'une part à la masse et d'autre part au potentiel d'alimentation (Valim). SFR5045 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la position relative d'appui X est déterminée par les moyens de calcul (21) en utilisant la formule suivante: X = V' l Valim (V2 r ou - X est la position relative ayant une valeur de 1 à l'extrémité du composant résistif raccordée à tension d'alimentation Vaiim et de 0 à l'extrémité du composant résistif raccordée à la masse, - Valim est la tension d'alimentation, - VI est la tension mesurée entre l'entrée et de la résistance de référence et la masse io lorsque la sortie de la résistance de référence est connectée à la masse, et - V2 est la tension mesurée entre l'entrée de la résistance de référence et la masse lorsque la sortie de la résistance de référence est connectée à la tension d'alimentation Valim. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens (15) de is commutation sont configurés de manière à connecter pendant un intervalle prédéfini d'échantillonage alternativement et séquentiellement la sortie (16) de la résistance de référence à la masse puis à la tension d'alimentation (Vaiim)É 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (40) pour détecter un transitoire lors d'un échantillon de mesure et des moyens inhibant, lors du calcul de la position de l'appui, la prise en compte des valeurs de mesure de tensions mesurées lorsqu'un transitoire a été détecté pendant un échantillon de mesure. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens (40) pour détecter un transitoire comprennent des moyens de comparaison de la tension mesurée entre au moins deux échantillons successifs possédant le même état de commutation, c'est-à-dire soit un état de commutation connectant la sortie de la résistance de référence à la masse, soit un état de commutation connectant la sortie de la résistance de référence à la tension d'alimentation (Valim) et en ce qu'un échantillon est considéré comme comportant un transitoire lorsque la différence de SFR5045 tension avec les échantillons précédants dépasse une valeur seuil de différence prédéfini. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens de calcul (21) sont adaptés de manière à calculer seulement une position si pour un nombre prédéfini d'échantillons, la condition suivante est remplie: Valim i V2 VI1 - Valim est la tension d'alimentation, - VI est la tension mesurée entre l'entrée et de la résistance de référence et la masse lorsque la sortie de la résistance de référence est connectée à la masse, et - V2 est la tension mesurée entre l'entrée de la résistance de référence et la masse lorsque la sortie de la résistance de référence est connectée à la tension d'alimentation Valim. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la 15 valeur de la résistance de référence est choisi selon la relation suivante: 0,25 R Rref où - R est la résistance totale sur toute sa longueur de commande du composant résistif, et Rref est la résistance de la résistance de référence. 8. Dispositif de commande selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la durée de l'intervalle d'échantillonage est choisie entre 200ps et 1 ms, de préférence entre 400ps et 600ps, en particulier aux environ de 500ps. 9. Module de commande pour véhicule automobile, en particulier pour la commande des lève-vitres électriques, des rétroviseurs, de la position des phares, d'un système de climatisation, d'un mécanisme d'ouverture électrique de toit, d'un rideau électrique, d'un système audio ou d'un système de navigation, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. SFR5045 20 10. Procédé de détermination d'une position linéaire pour capteurs de force sensibles à la pression, dans lequel un composant résistif définissant selon une dimension de commande une résistance linéaire (R) est raccordée avec une borne à la masse et avec l'autre 5 borne à un potentiel d'alimentation (Vaiim) , une couche associé à semiconducteur (FSR) sensible à la pression de manière à diminuer sa résistivité ohmique localement à l'endroit où une pression est exercée sur cette couche, est placée avec une face contre le composant résistif et l'autre surface est raccordée à une entrée d'une résistance de référence de manière qu'un appui sur la couche à semi-conducteur raccorde la résistance de référence à un point spécifique de la résistance linéaire de façon à former un circuit équivalent à un potentiomètre, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes É on branche la sortie de la résistance de référence à la masse É on mesure une première tension entre l'entrée de la résistance de référence (Rref) et la masse, É on branche la sortie de la résistance de référence au potentiel d'alimentation, É on mesure une seconde tension entre l'entrée de la résistance de référence (Rfef) et la masse, É on calcule la position de l'appui en fonction des première et seconde tensions mesurées. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'on calcule la position relative d'appui X en utilisant la formule suivante: X= Valim (V2 VI)] ou - X est la position relative ayant une valeur de 1 à l'extrémité du composant résistif raccordée à tension d'alimentation Valim et de 0 à l'extrémité du composant résistif raccordée à la masse, SFR5045 - Valim est la tension d'alimentation, - VI est la tension mesurée entre l'entrée et de la résistance de référence et la masse lorsque la sortie de la résistance de référence est connectée à la masse, et - V2 est la tension mesurée entre l'entrée de la résistance de référence et la masse lorsque la sortie de la résistance de référence est connectée à la tension d'alimentation Valim. 12. Procédé selon la revendication Il, caractérisé en ce que l'on détecte un transitoire lors d'un échantillon de mesure et on inhibe, lors du calcul de la position de l'appui, la prise en compte des valeurs de mesure de tensions mesurées lorsqu'un lo transitoire a été détecté pendant un échantillon de mesure. SFR5045