Brevet FR3086777A1 — publié le 20200403

. CLAVIER CAPACITIF DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION La présente invention concerne un clavier capacitif, notamment un clavier pour une machine industrielle. ETAT DE LA TECHNIQUE Les claviers capacitifs connus se composent typiquement d'un circuit imprimé, dit « printed circuit board » (PCB) en anglais, comprenant des capteurs capacitifs. Chaque capteur capacitif est relié à un système de traitement du signal adapté. Par définition, les capteurs capacitifs sont des éléments conducteurs électriquement reliés aux pistes électroniques du circuit imprimé. A chaque capteur correspond une touche du clavier actionnable par un utilisateur. Les capteurs génèrent un champ électrique. Lorsque l'utilisateur appuie sur une touche donnée, le doigt de l'utilisateur perturbe le champ électrique du capteur correspondant, c'est-à-dire modifie la capacité du capteur. Le système de traitement du signal reçoit en entrée les signaux des capteurs. Il est donc informé du capteur dont le champ a été modifié, et fournit en sortie un signal correspondant à la touche actionnée. Une couche non électriquement conductrice, dite « couche diélectrique », est agencée sur le circuit imprimé. Cette couche comprend un décor constitué de motifs associés aux différentes touches et qui représentent la fonction de chaque touche respective, et est généralement en verre ou en plexiglas. Elle joue le rôle de l'interface utilisateur. Ainsi, dans les claviers capacitifs connus, la détection de la touche actionnée est réalisée par l'intermédiaire de la couche diélectrique, qui limite la sensibilité du clavier, notamment si l'utilisateur porte des gants. De plus, la couche diélectrique ne permet pas de protéger le circuit imprimé et ses capteurs capacitifs. Les claviers connus sont dès lors très sensibles à l'environnement extérieur ainsi qu'aux chocs mécaniques, et sont sources de contraintes de compatibilité électromagnétique (CEM) en ce qu'ils génèrent et/ou sont sensibles à des perturbations électromagnétiques les rendant peu compatibles avec d'autres appareils électroniques situés dans leur environnement proche. BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION Un but de l'invention est de proposer un clavier capacitif permettant de surmonter les inconvénients décrits précédemment. 2 A cette fin, l'invention concerne un clavier capacitif comprenant : - une couche électronique comprenant au moins un capteur capacitif, - une couche métallique sur la couche électronique, comprenant une surface d'appui accessible à un utilisateur, 5 - une entretoise agencée entre la couche métallique et la couche électronique, configurée pour maintenir une distance déterminée entre la couche métallique et la couche électronique, le clavier capacitif étant principalement caractérisé en ce que la surface d'appui de la couche métallique comprend au moins une zone d'appui apte à être déformée par une 10 pression exercée par l'utilisateur de manière à réduire la distance entre la couche métallique et la couche électronique à l'aplomb de ladite zone d'appui, et en ce que la couche électronique est configurée pour détecter la réduction de ladite distance à l'aplomb de ladite zone d'appui. Conformément au clavier capacitif selon l'invention, l'utilisateur exerce une pression 15 directement sur la plaque métallique, qui est électriquement conductrice, au niveau d'une zone d'appui déterminée. La couche électronique détecte alors la variation de distance correspondante à l'aplomb de la zone d'appui entre la couche métallique et ladite couche électronique. Dès lors, la détection de la zone d'appui sollicitée par l'utilisateur est réalisée par variation de distance entre la couche métallique et la couche électronique, et 20 non pas par simple détection du doigt de l'utilisateur au travers d'une couche diélectrique conformément aux claviers de l'état de l'art. La détection est alors fiable et le clavier présente une bonne sensibilité, notamment dans le cas où la main de l'utilisateur est recouverte d'un gant. En effet, le gant n'est pas conducteur électrique. Ainsi, lorsque le gant recouvre le 25 doigt de l'utilisateur, l'interaction entre le doigt recouvert et le capteur est moindre, de même que la sensibilité du clavier vis-à-vis du doigt recouvert. Cet inconvénient est inexistant avec le clavier de l'invention, avec lequel une pression du doigt de l'utilisateur sur la zone d'appui souhaitée provoque une déformation de ladite zone d'appui, que le doigt soit recouvert ou non d'un gant, aboutissant alors à une reconnaissance de la 30 touche actionnée par la couche électronique. Le clavier capacitif de l'invention permet la détection d'une faible pression de l'utilisateur sur une touche du clavier, étant entendu que la sensibilité de chaque touche, c'est-à-dire la valeur seuil de pression exercée par l'utilisateur sur la touche à partir de laquelle la variation de distance correspondante est détectée par le capteur capacitif, est 35 ajustable. De même, le présent clavier permet avantageusement de détecter une pression prolongée dans le temps par l'utilisateur, par exemple de quelques secondes, sur une 3 touche déterminée. En effet, la détection de la touche sollicitée par la couche électronique est réalisée tant que la réduction de la distance à l'aplomb de ladite touche est maintenue. Par ailleurs, la couche métallique est rigide, bien que déformable, et permet ainsi de protéger la couche électronique des chocs mécaniques et des contraintes extérieures. 5 Dans le présent texte, on considère le clavier capacitif de sa face arrière vers sa face avant, la face avant étant celle qui est accessible à un utilisateur. L'indication du fait qu'une première pièce est « sur » une seconde pièce signifie donc que la première pièce est plus proche de la face avant que la seconde pièce. Cependant, sauf mention explicite, le terme « sur » n'induit pas nécessairement de contact direct entre les pièces, une 10 troisième pièce pouvant éventuellement être interposée entre lesdites pièces. De manière analogue, les différentes couches constitutives du clavier capacitif pourront être décrites en référence à leurs faces dites « face avant » et « face arrière », la face avant étant située au-dessus de la face arrière lors d'une utilisation courante du clavier dans laquelle ledit clavier repose sur un support ou est intégré à un tel support. 15 Selon d'autres aspects, le clavier capacitif proposé présente les différentes caractéristiques suivantes prises seules ou selon leurs combinaisons techniquement possibles : la surface d'appui de la couche métallique est continue. Par « surface d'appui continue » on entend le fait que la couche métallique ne comprend aucune 20 ouverture dans la zone centrale située en regard des capteurs capacitifs ; la couche métallique se présente donc sous la forme d'une feuille ou plaque pleine, qui peut cependant comprendre des ouvertures dans une zone périphérique pour sa solidarisation aux autres couches constitutives du clavier ; ces ouvertures permettent de rajouter une fonction de rétroéclairage. 25 le clavier capacitif comprend en outre une couche de guidage sur la couche métallique, ladite couche de guidage comprenant au moins un orifice traversant situé à l'aplomb d'une zone d'appui correspondante de la couche métallique, ledit orifice étant adapté pour le passage d'un doigt de l'utilisateur. Les orifices de la couche de guidage permettent de guider les doigts de l'utilisateur de manière 30 précise vers les touches du clavier, ce qui facilite l'utilisation du clavier. La déformation mécanique de la couche métallique est ainsi canalisée précisément au niveau de chaque touche, ce qui évite de déformer accidentellement d'autres touches voisines, en particulier lorsqu'une forte pression est exercée sur une touche. La couche de guidage permet aussi à l'utilisateur de localiser facilement les 35 touches du clavier. En outre, la couche de guidage renforce la structure du clavier. l'épaisseur de la couche de guidage est de préférence supérieure ou égale à 1 mm. Cette épaisseur minimale améliore encore le confort d'utilisation du clavier. 4 - chaque orifice traversant de la couche de guidage présente un bord chanfreiné. Le doigt de l'utilisateur est alors guidé par le chanfrein vers le centre de la touche. De plus, le chanfrein efface l'arrête saillante du bord de l'orifice qui pourrait être désagréable au toucher. 5 - le clavier comprend en outre une couche adhésive double face agencée entre la couche de guidage et la couche métallique. Une telle couche adhésive constitue un moyen de collage simple et efficace et permet d'obtenir un maintien uniforme de la couche de guidage sur la couche métallique, c'est-à-dire un collage de même efficacité en tout point de l'interface de collage entre ces couches. 10 ladite au moins une zone d'appui de la couche métallique comprend un motif visuel formé sur la surface d'appui de la couche métallique. Ce motif visuel représente la fonction de la touche, et permet à l'utilisateur de connaitre la fonction de la touche sans avoir à l'actionner préalablement. l'entretoise comprend au moins un orifice traversant situé à l'aplomb d'une zone 15 d'appui correspondante de la couche métallique, pour permettre une déformation de la zone d'appui dans l'orifice. l'entretoise est configurée pour se déformer avec la couche métallique à l'aplomb d'une zone d'appui. l'entretoise est une couche adhésive double face permettant de coller la couche 20 métallique et la couche électronique. La couche adhésive constitue un moyen de collage simple et efficace et permet d'obtenir un maintien uniforme de la couche de métallique sur la couche électronique, tout en préservant une distance déterminée entre ces couches. 25 L'invention se rapporte également à un système comprenant : - un clavier capacitif tel que décrit précédemment, et - un processeur configuré pour recevoir en entrée un signal de détection de la couche électronique, et pour déterminer quelle zone d'appui a été déformée par l'utilisateur. 30 BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif, en référence aux figures annexées: 35 - la figure 1 est une vue en perspective d'un mode de réalisation du clavier capacitif selon l'invention ; - la figure 2 est une vue éclatée du clavier capacitif de la figure 1 ; 5 - la figure 3A est une vue de côté en coupe du clavier capacitif de la figure 1, la plaque métallique n'étant pas déformée ; - la figure 3B est un agrandissement d'une partie du clavier de la figure 3, qui illustre la déformation de la plaque métallique lors d'une pression appliquée par un 5 utilisateur sur une touche du clavier capacitif. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Le clavier capacitif 100 selon l'invention comprend une structure multicouche, dont un mode de réalisation est représenté sur les figures 1 et 2. 10 En référence aux figures 1 et 2, la structure multicouche comprend successivement, de la face arrière vers la face avant du clavier, une couche électronique 1, une entretoise 3 agencée sur et au contact de la couche électronique 1, et une couche métallique 2 agencée sur et au contact de l'entretoise 3. Selon ce mode de réalisation, la structure comprend optionnellement une couche de guidage 4 agencée sur la couche métallique 2. 15 La couche électronique 1 comprend un circuit imprimé muni d'un ou plusieurs capteurs capacitifs. Le nombre de capteurs capacitifs est choisi en fonction du nombre de touches du clavier, qui seront décrites dans la suite, étant entendu qu'à une touche du clavier correspond un capteur capacitif. Chaque capteur capacitif est relié à un système de traitement du signal adapté (non 20 représenté). Ce système de traitement du signal est de préférence intégré dans la couche électronique, en particulier dans le circuit imprimé, mais peut alternativement être séparé de ladite couche électronique tout en étant apte à communiquer avec les capteurs capacitifs. La couche métallique 2 se présente sous la forme d'une plaque ou d'une feuille. De 25 préférence, la couche métallique est une plaque ou une feuille dont l'épaisseur est habituellement comprise entre 0.2 mm (millimètres) et 0.6 mm, mais cela peut évoluer en fonction du diamètre de la touche. La couche métallique 2 comprend une surface d'appui 20 qui est physiquement accessible à un utilisateur. A cet effet, la surface d'appui 20 est située sur la surface avant 30 de la couche métallique. La surface d'appui 20 de la couche métallique 2 est munie d'une ou de plusieurs zone(s) d'appui 21. Chaque zone d'appui 21 constitue une touche du clavier capacitif qui est configurée pour être actionnée par pression exercée par l'utilisateur de manière à la déformer. 35 Les zones d'appui 21 comprennent de préférence un motif visuel formé sur la surface d'appui de la couche métallique. Ce motif visuel représente la fonction de la touche, et permet à l'utilisateur de connaitre la fonction de la touche sans avoir à l'actionner préalablement. Il peut s'agir par exemple d'une lettre, d'un chiffre, ou bien d'un 6 symbole. Sur les figures 1 et 2, la première touche de la première rangée comprend par exemple un motif comportant des rayures. La couche métallique 2 est positionnée sur la couche électronique 1 à une distance déterminée, notée D, de ladite couche électronique. La conservation de cette distance D 5 est réalisée par l'entretoise 3 agencée entre la couche métallique 2 et la couche électronique 1. La couche métallique 2 est relativement rigide, bien que déformable au moins au niveau des zones d'appui 21. Elle confère de la rigidité à la structure du clavier, en plus d'assurer un blindage qui réduit les contraintes de compatibilité électromagnétique (CEM). 10 Selon un mode de réalisation préféré, la surface d'appui 20 de la couche métallique 2 est continue. Ainsi, la zone centrale de la surface d'appui de la couche métallique 2, qui est la zone située en regard des capteurs capacitifs, repose en tout point sur la surface avant de l'entretoise 3. Ceci améliore la rigidité de ladite couche métallique, tout en permettant sa déformation au niveau des zones d'appui, et permet d'avoir une meilleure 15 répartition des efforts sur la couche métallique. La structure du clavier est alors rigidifiée et plus résistante aux contraintes extérieures, en particulier aux chocs mécaniques. L'entretoise 3 se présente préférablement sous la forme d'une plaque dont l'épaisseur correspond à la distance déterminée, représentée par la double flèche D1 sur la figure 3A, entre la couche métallique 2 et la couche électronique 1. 20 Selon un mode de réalisation, l'entretoise 3 est configurée pour se déformée avec la couche métallique 2. En détail, lorsqu'une zone d'appui 21 de la couche métallique 2 subit une pression exercée par l'utilisateur, représentée par la flèche F sur la figure 3B, elle se déforme sous l'effet de cette pression en direction de l'entretoise 3 jusqu'à pousser une zone de l'entretoise située à l'aplomb de la zone d'appui 21 de manière solidaire en 25 direction de la couche électronique 1. Selon un mode de réalisation, l'entretoise 3 comprend au moins un orifice 30 traversant situé à l'aplomb d'une zone d'appui 21 correspondante de la couche métallique 2. En d'autres termes, la zone d'entretoise décrite au paragraphe précédent est traversée par cet orifice. Un tel orifice 30 est configuré pour permettre la déformation de la zone 30 d'appui 21 dans ledit orifice. En détail, lorsque la zone d'appui 21 se déforme en direction de la couche électronique, elle traverse l'orifice 30 correspondant de l'entretoise. La présence de cet orifice à l'aplomb des zones d'appui 21 permet de limiter les pertes mécaniques pouvant survenir dans le cas d'une entretoise pleine, lorsque l'effort est transmis de la couche métallique 2 à l'entretoise 3, et améliore ainsi la sensibilité des 35 touches du clavier. Selon un mode de réalisation, l'entretoise 3 est une couche adhésive double face permettant de coller la couche métallique 2 et la couche électronique 1. Ainsi, l'entretoise 7 3 permet de maintenir une distance déterminée entre la couche métallique et la couche électronique, tout en assurant le collage de ces deux couches. La couche de guidage 4 se présente avantageusement sous la forme d'une plaque rigide. 5 La couche de guidage 4 comprend au moins un orifice 40 traversant situé à l'aplomb d'une zone d'appui 21 correspondante de la couche métallique. Un tel orifice 40 est configuré pour permettre le passage d'un doigt de l'utilisateur venant exercer une pression sur la zone d'appui. Le doigt de l'utilisateur est alors guidé via l'orifice 40 vers la zone d'appui 21, ce qui lui évite d'appuyer par inadvertance sur d'autres zones de la 10 surface d'appui 20 distinctes des zones d'appui 21, et améliore ainsi le confort d'utilisation du clavier. L'épaisseur de la couche de guidage 4 est ajustée en fonction du confort souhaité. Une épaisseur de préférence inférieure ou égale à 2 mm, permet d'obtenir un guidage satisfaisant des doigts de l'utilisateur. 15 Selon un mode de réalisation, les orifices 40 de la couche de guidage présentent un bord 41 chanfreiné. Le chanfrein permet de lisser le bord saillant des orifices, et améliore encore le confort de l'utilisateur. La couche de guidage 4 est de préférence collée sur la couche métallique 2 au moyen d'une couche adhésive 5 double face agencée entre la couche de guidage 4 et la 20 couche métallique 2. Une telle couche adhésive 5 constitue un moyen de collage simple et efficace et permet d'obtenir un maintien uniforme de la couche de guidage 4 sur la couche métallique 2. En plus de sa fonction de guidage des doigts, la couche de guidage 2 permet de renforcer la structure du clavier, ce qui d'une part améliore la tenue de la structure aux 25 contraintes mécaniques extérieures, et d'autre part canalise la déformation de la couche métallique pendant l'appui sur les touches en limitant les pertes mécaniques dans la structure. Le clavier 100 comprend en outre un système de fixation permettant de relier fixement les différentes couches de la structure décrites précédemment entre elles. 30 Sur les figures 1 et 2, le système de fixation comprend des vis 61 et des écrous 62. Les vis 61 sont insérées depuis la face avant de la structure dans des orifices traversant 42 ménagés dans la périphérie de la couche de guidage 4, et traversent successivement des orifices traversant 51 ménagés dans la périphérie de la couche adhésive 5, les orifices traversant 22 de la couche métallique 2, les orifices traversant 31 de l'entretoise 3, 35 et les orifices traversant 10 de la couche électronique 1, ménagés préférablement dans les coins de ces couches. On précise que le terme « périphérie » se rapporte à une zone des différentes couches qui est située autour d'une zone centrale de ces couches, en regard des zones 8 d'appui 21 (la zone centrale de la couche de guidage 4, de la couche adhésive 5, de l'entretoise 3, et de la couche électronique 1) ou contenant les zones d'appui 21 (la zone centrale de la couche métallique 2). Les écrous 62 sont vissés sur le filetage des vis 61 et viennent au contact de la face arrière du clavier 100. 5 Le fonctionnement du clavier va maintenant être décrit en référence aux figures 3A et 3B qui illustrent l'agencement des couches de la structure respectivement sans déformation et avec déformation de la plaque métallique lors d'une pression appliquée par un utilisateur sur une touche du clavier. En référence à la figure 3A, aucune pression n'est exercée par l'utilisateur sur le 10 clavier. La couche métallique 2 est séparée de la couche électronique 1 par une distance déterminée Dl. La couche métallique s'étend selon une ligne droite Ll en traits pointillés sensiblement parallèle à la couche électronique sous-jacente. En référence à la figure 3B, lorsque l'utilisateur appuie sur une touche du clavier, son doigt traverse l'orifice 40 de la couche de guidage 4 jusqu'à venir au contact de la 15 zone d'appui 21 correspondante constituant la touche. La pression exercée par le doigt de l'utilisateur sur la zone d'appui 21 provoque une déformation de la couche métallique 2 au niveau de ladite zone d'appui. En se déformant, la couche métallique 2 se rapproche de la couche électronique 1, et la distance D1 entre ces deux couches diminue jusqu'à atteindre une valeur D2. Cette déformation de la couche métallique est représentée par la 20 ligne courbée L2 en traits pointillés. Conformément au mode de réalisation des figures 3A et 3B, la couche métallique 2 se déforme dans un orifice 30 de l'entretoise. Alternativement, dans le cas d'une entretoise pleine (non représentée), l'entretoise se déforme avec la couche métallique. Le capteur capacitif de la couche électronique situé à l'aplomb de la zone d'appui 21 25 déformée détecte la diminution de la distance D, et émet un signal de sortie à destination d'un processeur (non représenté) qui est traité par un système de traitement du signal adapté à cet effet. A partir du signal de sortie du capteur, le processeur détermine quelle zone d'appui a été déformée par l'utilisateur et donc quelle touche du clavier a été actionnée. 30 L'utilisateur peut appuyer sur plusieurs touches en même temps, auquel cas toutes les zones d'appui correspondantes se déformeront. La réduction des distances sera détectée par les différents capteurs, qui fourniront chacun en sortie un signal correspondant. La détermination de la touche actionnée par l'utilisateur est ainsi réalisée par 35 déformation de la couche mécanique et réduction correspondante de la distance D, et non par détection de la présence du doigt de l'utilisateur. Dès lors, en utilisant la technologie capacitive, le clavier de l'invention est capable de détecter les touches actionnées de manière sensible lorsque l'utilisateur pose son 9 doigt sur la touche en question. Contrairement aux claviers capacitifs connus avec lesquels la détection se fait par l'approche du doigt à travers un diélectrique au niveau de la face avant du clavier qui doit être nécessairement non conducteur électriquement, le clavier de l'invention détecte une très légère déformation de la couche métallique en face 5 avant engendrée par l'utilisateur. De ce fait, en plus d'être sensible, la couche métallique apporte des avantages importants en termes de protection du clavier contre l'environnement extérieur, notamment en apportant une protection aux chocs mécaniques mais également une étanchéité aux liquides ainsi qu'aux contraintes CEM. 10 De plus, ce type de détection par diminution de distance permet de minimiser la taille des capteurs. Le clavier de l'invention est en outre basé sur une structure multicouche simple à fabriquer, ce qui le rend très avantageux dans le cadre d'une REVENDICATIONS1. Clavier capacitif (100) comprenant : - une couche électronique (1) comprenant au moins un capteur capacitif, - une couche métallique (2) sur la couche électronique, comprenant une surface d'appui (20) accessible à un utilisateur, - une entretoise (3) agencée entre la couche métallique (2) et la couche électronique (1), configurée pour maintenir une distance déterminée entre la couche métallique et la couche électronique, le clavier capacitif (100) étant caractérisé en ce que la surface d'appui (20) de la couche métallique comprend au moins une zone d'appui (21) apte à être déformée par une pression exercée par l'utilisateur de manière à réduire la distance entre la couche métallique (2) et la couche électronique (1) à l'aplomb de ladite zone d'appui, et en ce que la couche électronique (1) est configurée pour détecter la réduction de ladite distance à l'aplomb de ladite zone d'appui (21). 2. Clavier capacitif (100) selon la revendication 1, dans lequel la surface d'appui (20) de la couche métallique est continue. 3. Clavier capacitif (100) selon l'une des revendications 1 ou 2, comprenant en outre une couche de guidage (4) sur la couche métallique (2), comprenant au moins un orifice (40) traversant situé à l'aplomb d'une zone d'appui (21) correspondante de la couche métallique, ledit orifice (40) étant adapté pour le passage d'un doigt de l'utilisateur. 4. Clavier capacitif (100) selon la revendication 3, dans lequel l'épaisseur de ladite couche de guidage (4) est inférieure ou égale à 2 mm. 5. Clavier capacitif (100) selon l'une des revendications 3 ou 4, dans lequel chaque orifice traversant (40) de la couche de guidage (4) présente un bord (41) chanfreiné. 6. Clavier capacitif (100) selon l'une des revendications 3 à 5, comprenant en outre une couche adhésive (5) double face agencée entre la couche de guidage (4) et la couche métallique (2). 7. Clavier capacitif (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite au moins une zone d'appui (21) de la couche métallique comprend un motif visuel formé sur la surface d'appui de la couche métallique. 11 8. Clavier capacitif (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'entretoise (3) comprend au moins un orifice (30) traversant situé à l'aplomb d'une zone d'appui (21) correspondante de la couche métallique (2), pour permettre une déformation de la zone d'appui dans l'orifice. 5 9. Clavier capacitif (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'entretoise (3) est configurée pour se déformer avec la couche métallique (2) à l'aplomb d'une zone d'appui (21). 10 10. Clavier capacitif (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'entretoise (3) est une couche adhésive double face permettant de coller la couche métallique et la couche électronique. 11. Système comprenant : 15 - un clavier capacitif (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, et - un processeur configuré pour recevoir en entrée un signal de détection de la couche électronique, et pour déterminer quelle zone d'appui a été déformée par l'utilisateur. 20