FR3077172A1 - APPARATUS WITH MEANS FOR MEASURING MOVEMENTS IMPOSED BY A FINGER IN A WALL - Google Patents
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Abstract
Un appareil (AP) comprend : - un premier cadre (CA1) fixe, - un second cadre (CA2) muni d'une paroi (PT) déplaçable par un doigt d'usager et monté mobile dans le premier cadre (CA1), - des premier (CD1) et deuxième (CD2) condensateurs solidarisés chacun aux premier (CA1) et second (CA2) cadres respectivement sur des premier et second côtés suivant des première et seconde directions différentes, - une source d'excitation (SE) appliquant un signal électrique périodique aux premier (CD1) et deuxième (CD2) condensateurs, - des moyens de mesure (MM) délivrant des premier et deuxième signaux de mesure représentatifs des première et deuxième capacités des premier (CD1) et deuxième (CD2) condensateurs, et - des moyens de traitement (MT) déterminant des premier et second déplacements du second cadre (CA2) suivant les première et seconde directions, en fonction du signal électrique périodique et des premier et deuxième signaux de mesure.An apparatus (AP) comprises: a fixed first frame (CA1); a second frame (CA2) provided with a wall (PT) movable by a user's finger and movably mounted in the first frame (CA1); first (CD1) and second (CD2) capacitors each secured to the first (CA1) and second (CA2) frames respectively on first and second sides in first and second different directions, - an excitation source (SE) applying a periodic electrical signal to the first (CD1) and second (CD2) capacitors, - measuring means (MM) delivering first and second measurement signals representative of the first and second capacitances of the first (CD1) and second (CD2) capacitors, and - Processing means (MT) determining first and second displacements of the second frame (CA2) in the first and second directions, as a function of the periodic electrical signal and the first and second measurement signals.
Description
APPAREIL À MOYENS DE MESURE DE DÉPLACEMENTS IMPOSÉS PAR UN DOIGT À UNE PAROIAPPARATUS FOR MEASURING MOVEMENTS IMPOSED BY A FINGER ON A WALL
L’invention concerne les appareils qui comprennent une paroi pouvant être déplacée par un doigt d’un usager, éventuellement pour commander au moins une fonction.The invention relates to devices which include a wall which can be moved by a user's finger, possibly for controlling at least one function.
Certains appareils comprennent au moins une interface homme/machine comportant au moins une paroi, éventuellement tactile et faisant éventuellement partie d’un écran d’affichage, qui peut être contactée par l’extrémité d’un doigt d’un usager, par exemple pour induire ou déclencher la génération d’un signal destiné à commander une fonction. C’est par exemple le cas de certains organes de commande ou de certains appareils offrant une fonction d’affichage d’images (comme par exemple et non limitativement des équipements de communication (téléphones intelligents ou tablettes électroniques), des consoles de jeux (éventuellement communicantes), des terminaux ou écrans (éventuellement d’ordinateur)).Some devices include at least one man / machine interface comprising at least one wall, possibly touchscreen and possibly part of a display screen, which can be contacted by the end of a user's finger, for example for induce or trigger the generation of a signal intended to control a function. This is for example the case of certain control members or of certain devices offering an image display function (such as for example and without limitation communication equipment (smart phones or electronic tablets), game consoles (possibly communicating), terminals or screens (possibly computer).
Lorsque le doigt contacte une telle paroi, il exerce un effort qui peut parfois se faire suivant une direction et un sens, par exemple pour déclencher un glissement, un agrandissement ou un rétrécissement d’image. Pour déterminer ce type d’effort plusieurs solutions ont été proposées.When the finger contacts such a wall, it exerts an effort which can sometimes be made in a direction and a direction, for example to trigger a sliding, an enlargement or a shrinking of image. Several solutions have been proposed to determine this type of effort.
Ainsi, il a été proposé dans les documents brevet US 6,393,259 et US 8,324,414 d’utiliser des capteurs à jauges de contraintes qui mesurent la déformation d’un corps élastique, puis de déduire des forces (ou efforts) de ces mesures. Cette première solution est notamment utilisée pour mesurer les frottements dans les tribomètres et dans certaines interfaces homme/machine haptiques. Elle s’avère souvent limitée par son important niveau de bruit.Thus, it has been proposed in the patent documents US Pat. No. 6,393,259 and US Pat. No. 8,324,414 to use strain gauge sensors which measure the deformation of an elastic body, and then to deduce forces (or efforts) from these measurements. This first solution is notably used to measure the friction in tribometers and in certain haptic man / machine interfaces. It is often found to be limited by its high noise level.
Il a également été proposé dans le document brevet WO 2005/121812 d’utiliser des capteurs piézoélectriques pour déterminer des forces (ou efforts). Cette deuxième solution offre le meilleur rapport signal sur bruit. Cependant, les capteurs piézoélectriques sont rigides et sensibles, et les charges qu’ils mesurent doivent faire l’objet d’une amplification par un amplificateur de charge qui dérive de façon importante, et donc rend la mesure des forces continues impossible. En outre, les mesures des capteurs piézoélectriques doivent faire l’objet d’intégrations relativement complexes.It has also been proposed in patent document WO 2005/121812 to use piezoelectric sensors to determine forces (or efforts). This second solution offers the best signal-to-noise ratio. However, the piezoelectric sensors are rigid and sensitive, and the loads they measure must be amplified by a charge amplifier which drifts significantly, and therefore makes the measurement of continuous forces impossible. In addition, the measurements of the piezoelectric sensors must be subject to relatively complex integrations.
Il a également été proposé dans le document brevet US 6,718,821 d’utiliser des capteurs interférométriques pour déterminer des forces (ou efforts). Cependant, les capteurs interférométriques sont limités à des plages de mesure de l’ordre du micro-newton et leurs mesures doivent faire l’objet d’intégrations complexes.It has also been proposed in document US Pat. No. 6,718,821 to use interferometric sensors to determine forces (or efforts). However, interferometric sensors are limited to measurement ranges on the order of micro-Newton and their measurements must be subject to complex integrations.
D’une manière générale, les solutions présentées ci-avant peuvent déterminer certains efforts, généralement de très faible intensité, mais ne permettent pas de déterminer des déplacements dans un plan.In general, the solutions presented above can determine certain forces, generally of very low intensity, but do not make it possible to determine displacements in a plane.
L’invention a donc notamment pour but d’améliorer la situation.The invention therefore aims in particular to improve the situation.
Elle propose notamment à cet effet un appareil comprenant :In particular, it offers a device comprising:
- une paroi déplaçable par un doigt d’un usager,- a wall movable by a user's finger,
- un premier cadre fixe,- a first fixed frame,
- un second cadre auquel est solidarisée fixement la paroi et monté mobile dans le premier cadre via des moyens de rappel élastique,a second frame to which the wall is fixedly secured and movably mounted in the first frame via elastic return means,
- un premier condensateur ayant deux éléments conducteurs solidarisés respectivement aux premier et second cadres sur un premier côté suivant une première direction,a first capacitor having two conductive elements secured respectively to the first and second frames on a first side in a first direction,
- un deuxième condensateur ayant deux éléments conducteurs solidarisés respectivement aux premier et second cadres sur un deuxième côté suivant une seconde direction différente de la première direction,a second capacitor having two conductive elements secured respectively to the first and second frames on a second side in a second direction different from the first direction,
- une source d’excitation appliquant un signal électrique périodique à l’un des éléments conducteurs de chacun des premier et deuxième condensateurs,- an excitation source applying a periodic electrical signal to one of the conductive elements of each of the first and second capacitors,
- des moyens de mesure délivrant des premier et deuxième signaux de mesure représentatifs respectivement de première et deuxième capacités en cours des premier et deuxième condensateurs, etmeasurement means delivering first and second measurement signals representative respectively of first and second current capacities of the first and second capacitors, and
- des moyens de traitement déterminant des premier et second déplacements du second cadre par rapport au premier cadre, suivant respectivement les première et seconde directions, en fonction du signal électrique périodique et des premier et deuxième signaux de mesure.- Processing means determining the first and second displacements of the second frame relative to the first frame, respectively in the first and second directions, as a function of the periodic electrical signal and of the first and second measurement signals.
On dispose ainsi précisément du déplacement vectoriel (suivant les première et seconde directions) qui est imposé par le doigt à la paroi.We thus have precisely the vector displacement (in the first and second directions) which is imposed by the finger on the wall.
L’appareil selon l’invention peut comporter d’autres caractéristiques qui peuvent être prises séparément ou en combinaison, et notamment :The device according to the invention may include other characteristics which can be taken separately or in combination, and in particular:
- il peut comprendre un troisième condensateur ayant deux éléments conducteurs solidarisés respectivement aux premier et second cadres sur un troisième côté parallèle au premier côté, et un quatrième condensateur ayant deux éléments conducteurs solidarisés respectivement aux premier et second cadres sur un quatrième côté parallèle au deuxième côté. Dans ce cas, sa source d’excitation applique le signal électrique sinusoïdal à l’un des éléments conducteurs de chacun des troisième et quatrième condensateurs, ses moyens de mesure délivrent des troisième et quatrième signaux de mesure représentatifs respectivement de troisième et quatrième capacités en cours des troisième et quatrième condensateurs, et ses moyens de traitement déterminent les premier et second déplacements en fonction également des troisième et quatrième signaux de mesure ;- It may include a third capacitor having two conductive elements secured respectively to the first and second frames on a third side parallel to the first side, and a fourth capacitor having two conductive elements secured respectively to the first and second frames on a fourth side parallel to the second side . In this case, its excitation source applies the sinusoidal electrical signal to one of the conductive elements of each of the third and fourth capacitors, its measurement means deliver third and fourth measurement signals representative respectively of third and fourth capacities in progress third and fourth capacitors, and its processing means determine the first and second displacements as a function also of the third and fourth measurement signals;
> ses moyens de traitement peuvent déterminer le premier déplacement en fonction du signal électrique périodique et d’une différence entre les premier et troisième signaux de mesure, et le second déplacement en fonction du signal électrique périodique et d’une différence entre les deuxième et quatrième signaux de mesure ;> its processing means can determine the first displacement as a function of the periodic electrical signal and of a difference between the first and third measurement signals, and the second displacement as a function of the periodic electrical signal and of a difference between the second and fourth measurement signals;
- ses moyens de rappel élastique peuvent comprendre deux premières lames flexibles solidarisées au premier cadre et comportant chacune deux premières extrémités opposées arrondies, et deux secondes lames flexibles solidarisées au second cadre et comportant chacune deux secondes extrémités opposées arrondies et placées chacune en regard et à proximité de l’une des premières extrémités ;- Its elastic return means may comprise two first flexible blades secured to the first frame and each comprising two first opposite rounded ends, and two second flexible blades secured to the second frame and each comprising two second opposite rounded ends and each placed opposite and close to each other from one of the first ends;
> chacune des secondes lames flexibles peut constituer l’un des éléments conducteurs de l’un des premier et troisième condensateurs ;> each of the second flexible strips can constitute one of the conductive elements of one of the first and third capacitors;
- il peut comprendre des moyens de réglage solidarisés au premier cadre et contrôlables de manière à régler un espacement initial entre éléments conducteurs de chaque condensateur ;- It may include adjustment means secured to the first frame and controllable so as to adjust an initial spacing between conductive elements of each capacitor;
- ses moyens de traitement peuvent déterminer un effort appliqué par le doigt sur la paroi en fonction des premier et second déplacements déterminés ;- Its processing means can determine a force applied by the finger on the wall as a function of the first and second determined displacements;
- sa paroi peut être tactile ;- its wall can be tactile;
- sa paroi peut faire partie d’un écran d’affichage et être propre à afficher au moins une partie d’images ;- its wall may be part of a display screen and be suitable for displaying at least part of the images;
- il peut constituer un équipement de communication ;- it can constitute communication equipment;
- en variante, il peut constituer un tribomètre.- as a variant, it can constitute a tribometer.
L’invention propose également un véhicule, éventuellement de type automobile, et comprenant au moins un appareil du type de celui présenté ciavant.The invention also provides a vehicle, possibly of the automotive type, and comprising at least one device of the type presented above.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à l’examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels :Other characteristics and advantages of the invention will appear on examining the detailed description below, and the attached drawings, in which:
- la figure 1 illustre schématiquement et fonctionnellement, dans une vue du dessus, un premier exemple de réalisation d’un appareil selon l’invention,- Figure 1 illustrates schematically and functionally, in a top view, a first embodiment of an apparatus according to the invention,
- la figure 2 illustre un schéma de principe d’un second exemple de réalisation d’un appareil selon l’invention, etFIG. 2 illustrates a block diagram of a second embodiment of an apparatus according to the invention, and
- la figure 3 illustre schématiquement et fonctionnellement une partie des moyens de mesure et moyens de traitement de l’appareil de la figure 1.- Figure 3 schematically and functionally illustrates part of the measuring means and processing means of the device of Figure 1.
L’invention a notamment pour but de proposer un appareil AP, comprenant au moins une paroi PT pouvant être contactée et déplacée par un doigt DU d’un usager, éventuellement pour commander au moins une fonction, et agencé de manière à déterminer ce déplacement.The object of the invention is in particular to propose an apparatus AP, comprising at least one wall PT which can be contacted and moved by a finger DU of a user, possibly to control at least one function, and arranged so as to determine this movement.
Dans ce qui suit, on considère, à titre d’exemple non limitatif, que l’appareil AP est un combiné central d’un véhicule, chargé d’afficher des images et des informations. Mais l’invention n’est pas limitée à ce type d’appareil. Elle concerne en effet tout type d’appareil comprenant au moins une paroi pouvant être contactée par un doigt d’un usager, et notamment les tribomètres, les équipements de communication (téléphones intelligents, tablettes électroniques, ou ordinateurs), les tablettes graphiques, les terminaux de domotique, les souris intégrées d’ordinateurs, les consoles de jeux (éventuellement communicantes), les terminaux ou écrans (éventuellement d’ordinateur (fixe ou portable)), les organes de commande, et les appareils électroménagers.In what follows, it is considered, by way of nonlimiting example, that the AP device is a central handset of a vehicle, responsible for displaying images and information. But the invention is not limited to this type of device. It relates in fact to any type of device comprising at least one wall which can be contacted by a user's finger, and in particular tribometers, communication equipment (smart phones, electronic tablets, or computers), graphic tablets, home automation terminals, integrated computer mice, game consoles (possibly communicating), terminals or screens (possibly computer (fixed or portable)), control units, and household appliances.
Terminaux de domotique, trackpad d’ordinateur ou tablette graphiqueHome automation terminals, computer trackpad or graphics tablet
Par ailleurs, on considère dans ce qui suit, à titre d’exemple non limitatif, que la paroi PT est tactile. Mais cela n’est pas obligatoire. On notera que lorsque l’appareil AP comprend, un écran d’affichage (éventuellement tactile), sa paroi PT peut faire partie de cet écran d’affichage et être propre à afficher au moins une partie d’images.Furthermore, it is considered in what follows, by way of nonlimiting example, that the wall PT is tactile. But it is not compulsory. It will be noted that when the apparatus AP comprises, a display screen (possibly touch screen), its wall PT can be part of this display screen and be suitable for displaying at least a part of images.
De plus, on considère dans ce qui suit, à titre d’exemple non limitatif, que l’appareil AP fait partie d’un véhicule automobile, comme par exemple une voiture. Mais l’invention n’est pas limitée à ce type de véhicule. D’une manière générale, l’appareil AP peut faire partie de n’importe quel système à paroi(s) contactable(s) par un doigt, et notamment d’un véhicule (terrestre, maritime (ou fluvial), ou aérien), d’une installation (éventuellement industrielle), d’un bâtiment, ou d’un équipement électronique (éventuellement électroménager).In addition, it is considered in the following, by way of nonlimiting example, that the AP device is part of a motor vehicle, such as for example a car. However, the invention is not limited to this type of vehicle. In general, the AP device can be part of any system with wall (s) that can be contacted by a finger, and in particular of a vehicle (land, sea (or river), or air) , an installation (possibly industrial), a building, or electronic equipment (possibly household appliances).
Sur les figures 1 à 3, la direction X est une première direction perpendiculaire à des premier et troisième côtés de la paroi PT, et la direction Y est une seconde direction perpendiculaire à des deuxième et quatrième côtés de la paroi PT et à la première direction X.In Figures 1 to 3, direction X is a first direction perpendicular to first and third sides of the PT wall, and direction Y is a second direction perpendicular to second and fourth sides of the PT wall and to the first direction X.
On a schématiquement représenté sur la figure 1 un premier exemple de réalisation d’un appareil AP selon l’invention.There is schematically shown in Figure 1 a first embodiment of an AP device according to the invention.
Comme illustré sur la figure 1, un appareil AP, selon l’invention, comprend au moins une paroi PT, un premier cadre CA1, un second cadre CA2, des moyens de rappel élastique MRE, une source d’excitation SE, des premier CD1 et deuxième CD2 condensateurs, des moyens de mesure MM et des moyens de traitement MT.As illustrated in FIG. 1, an apparatus AP, according to the invention, comprises at least one wall PT, a first frame CA1, a second frame CA2, elastic return means MRE, a source of excitation SE, first CD1 and second CD2 capacitors, measuring means MM and processing means MT.
La paroi PT est contactable et déplaçable par un doigt DU d’un usager. Elle est solidarisée fixement au second cadre CA2 qui est mobile, comme on le verra plus loin.The PT wall can be contacted and moved by a DU finger of a user. It is fixedly secured to the second frame CA2 which is mobile, as will be seen below.
On notera que dans l’exemple illustré non limitativement sur la figure l’appareil AP ne comprend qu’une seule paroi PT. Mais il pourrait comprendre plusieurs (au moins deux) parois PT.Note that in the example illustrated without limitation in the figure, the apparatus AP only comprises a single wall PT. But it could include several (at least two) PT walls.
On notera également que la face externe de la paroi PT, destinée à être contactée par un doigt DU, n’est pas forcément plane. Elle pourrait en effet présenter au moins une courbure.It will also be noted that the external face of the wall PT, intended to be contacted by a finger DU, is not necessarily flat. It could indeed have at least one curvature.
Par exemple, la paroi PT peut être réalisée en verre, ou en aluminium, ou encore dans une matière plastique rigide telle que le polycarbonate (ou PC) ou le poly-méthacrylate de méthyle (ou PMMA). Ce qui est important c’est qu’il n’y ait pas de couplage électrostatique de la paroi PT avec les condensateurs CD1 et CD2. Un matériau conducteur pourrait donc être utilisé en prévoyant un découplage avec les condensateurs CD1 et CD2.For example, the PT wall can be made of glass, or of aluminum, or also of a rigid plastic material such as polycarbonate (or PC) or poly methyl methacrylate (or PMMA). What is important is that there is no electrostatic coupling of the PT wall with the capacitors CD1 and CD2. A conductive material could therefore be used by providing for decoupling with the capacitors CD1 and CD2.
Le premier cadre CA1 est fixe par rapport à l’appareil AP.The first frame CA1 is fixed relative to the device AP.
Le second cadre CA2 est monté mobile dans le premier cadre CA1 via des moyens de rappel élastique MRE.The second frame CA2 is mounted mobile in the first frame CA1 via elastic return means MRE.
Le premier condensateur CD1 comprend deux éléments conducteurs qui sont solidarisés respectivement aux premier CA1 et second CA2 cadres sur un premier côté suivant une première direction. Dans ce qui suit on considère à titre d’exemple illustratif que cette première direction est perpendiculaire à la première direction X. On comprendra que dans ce cas lorsqu’un doigt DU déplace la paroi PT suivant la première direction X, par exemple selon un sens qui réduit l’espacement initial entre les éléments conducteurs du premier condensateur CD1, la première capacité c1 de ce dernier (CD1) va augmenter du fait que l’espacement e1 devient inférieur à cet espacement initial. Inversement, lorsque le doigt DU déplace la paroi PT suivant la première direction X, selon un sens qui augmente l’espacement initial entre les éléments conducteurs du premier condensateur CD1, la première capacité c1 de ce dernier (CD1) va diminuer du fait que l’espacement e1 devient supérieur à cet espacement initial.The first capacitor CD1 comprises two conductive elements which are secured respectively to the first CA1 and second CA2 frames on a first side in a first direction. In what follows, it is considered by way of illustrative example that this first direction is perpendicular to the first direction X. It will be understood that in this case when a finger DU moves the wall PT in the first direction X, for example in one direction which reduces the initial spacing between the conductive elements of the first capacitor CD1, the first capacitance c1 of the latter (CD1) will increase because the spacing e1 becomes less than this initial spacing. Conversely, when the finger DU moves the wall PT in the first direction X, in a direction which increases the initial spacing between the conducting elements of the first capacitor CD1, the first capacitance c1 of the latter (CD1) will decrease due to the fact that l spacing e1 becomes greater than this initial spacing.
Le deuxième condensateur CD2 comprend deux éléments conducteurs solidarisés respectivement aux premier CA1 et second CA2 cadres sur un deuxième côté suivant une seconde direction différente de la première direction du premier condensateur CD1. Dans ce qui suit on considère à titre d’exemple illustratif que cette seconde direction est perpendiculaire à la seconde direction Y (et donc perpendiculaire à la première direction du premier condensateur CD1). Mais on pourrait envisager d’autres agencements. En effet, ce qui est important, c’est que les premier CD1 et deuxième CD2 condensateurs soient orientés suivant des axes différents pour effectuer des mesures suivant plusieurs dimensions. Par exemple on peut mettre trois paires de capacitances à 120° autour d’un cercle pour mesurer dans le plan avec une redondance d’information.The second capacitor CD2 comprises two conductive elements respectively secured to the first CA1 and second CA2 frames on a second side in a second direction different from the first direction of the first capacitor CD1. In what follows we consider by way of illustrative example that this second direction is perpendicular to the second direction Y (and therefore perpendicular to the first direction of the first capacitor CD1). But we could consider other arrangements. What is important is that the first CD1 and second CD2 capacitors are oriented along different axes to make measurements according to several dimensions. For example we can put three pairs of capacitances at 120 ° around a circle to measure in the plane with information redundancy.
On comprendra que lorsque le doigt DU déplace la paroi PT suivant la seconde direction Y, par exemple selon un sens qui réduit l’espacement initial entre les éléments conducteurs du deuxième condensateur CD2, la deuxième capacité c2 de ce dernier (CD2) va augmenter du fait que l’espacement e2 devient inférieur à cet espacement initial. Inversement, lorsque ce doigt DU déplace la paroi PT suivant la seconde direction Y, selon un sens qui augmente l’espacement initial entre les éléments conducteurs du deuxième condensateur CD2, la deuxième capacité c2 de ce dernier (CD2) va diminuer du fait que l’espacement e2 devient supérieur à cet espacement initial.It will be understood that when the finger DU moves the wall PT in the second direction Y, for example in a direction which reduces the initial spacing between the conductive elements of the second capacitor CD2, the second capacitance c2 of the latter (CD2) will increase by causes the spacing e2 to become less than this initial spacing. Conversely, when this finger DU moves the wall PT in the second direction Y, in a direction which increases the initial spacing between the conducting elements of the second capacitor CD2, the second capacitance c2 of the latter (CD2) will decrease due to the fact that l spacing e2 becomes greater than this initial spacing.
On pourrait envisager que les condensateurs aient une forme de peigne afin d’augmenter la surface en regard sur une même largeur.It could be envisaged that the capacitors have a comb shape in order to increase the facing surface over the same width.
La source d’excitation SE est agencée de manière à appliquer un signal électrique périodique sinusoïdal à l’un des éléments conducteurs de chacun des premier CD1 et deuxième CD2 condensateurs. La forme de ce signal électrique périodique peut, par exemple, être sinusoïdale, ou triangulaire ou en créneaux. On obtient ainsi en sortie de chacun des premier CD1 et deuxième CD2 condensateurs, c’est-à-dire sur la borne de l’autre élément conducteur qui n’est pas excité, un courant électrique périodique, résultant du déplacement des charges électriques du fait de l’excitation par le signal électrique périodique, et ayant la même fréquence que ce dernier et une amplitude fonction de l’espacement en cours e1 ou e2 des éléments conducteurs considérés et donc de la capacité c1 ou c2 en cours du condensateur CD1 ou CD2 considéré.The excitation source SE is arranged so as to apply a periodic sinusoidal electrical signal to one of the conductive elements of each of the first CD1 and second CD2 capacitors. The shape of this periodic electrical signal can, for example, be sinusoidal, or triangular or in slots. There is thus obtained at the output of each of the first CD1 and second CD2 capacitors, that is to say on the terminal of the other conducting element which is not excited, a periodic electric current, resulting from the displacement of the electric charges of the made of excitation by the periodic electrical signal, and having the same frequency as the latter and an amplitude as a function of the current spacing e1 or e2 of the conductive elements considered and therefore of the capacitance c1 or c2 in progress of the capacitor CD1 or CD2 considered.
Par exemple, le signal électrique périodique peut avoir une fréquence comprise entre 100 Hz et 200 Hz. Par exemple, cette fréquence peut être égale à 120 Hz. Mais on peut utiliser des fréquences plus élevées. On notera que la fréquence est préférentiellement choisie de manière à maximiser la réjection des bruits électromagnétiques.For example, the periodic electrical signal can have a frequency between 100 Hz and 200 Hz. For example, this frequency can be equal to 120 Hz. But higher frequencies can be used. It will be noted that the frequency is preferably chosen so as to maximize the rejection of electromagnetic noise.
Les moyens de mesure MM sont agencés de manière à délivrer des premier sm1 et deuxième sm2 signaux de mesure qui sont représentatifs respectivement des première c1 et deuxième c2 capacités en cours des premier CD1 et deuxième CD2 condensateurs. A titre d’exemple, les premier sm1 et deuxième sm2 signaux de mesure peuvent être des tensions résultant respectivement des conversions avec amplification des courants électriques périodiques sortant des premier CD1 et deuxième CD2 condensateurs. Ces conversions et amplifications peuvent, par exemple, être réalisées au moyen d’amplificateurs trans-impédance AT des moyens de mesure MM, comme illustré non limitativement sur les figures 2 et 3.The measurement means MM are arranged so as to deliver first sm1 and second sm2 measurement signals which are respectively representative of the first c1 and second c2 current capacities of the first CD1 and second CD2 capacitors. By way of example, the first sm1 and second sm2 measurement signals can be voltages resulting respectively from conversions with amplification of the periodic electric currents leaving the first CD1 and second CD2 capacitors. These conversions and amplifications can, for example, be carried out by means of trans-impedance amplifiers AT of the measurement means MM, as illustrated without limitation in FIGS. 2 and 3.
Les moyens de traitement MT sont agencés de manière à déterminer des premier d1 et second d2 déplacements du second cadre CA2 par rapport au premier cadre CA1, suivant respectivement les première X et seconde Y directions, en fonction du signal électrique périodique (généré par la source d’excitation SE) et des premier sm1 et deuxième sm2 signaux de mesure (délivrés par les moyens de mesure MM).The processing means MT are arranged so as to determine first d1 and second d2 displacements of the second frame CA2 relative to the first frame CA1, respectively in the first X and second Y directions, as a function of the periodic electrical signal (generated by the source excitation SE) and of the first sm1 and second sm2 measurement signals (delivered by the measurement means MM).
Ainsi, on dispose de façon très précise du déplacement vectoriel (suivant les première X et seconde Y directions) imposé par le doigt DU à la paroi PT, par rapport au premier cadre C1.Thus, there is very precise vector displacement (along the first X and second Y directions) imposed by the finger DU on the wall PT, relative to the first frame C1.
On notera que dans le second exemple de réalisation illustré sous la forme d’un schéma de principe sur la figure 2, l’appareil AP ne comprend que deux condensateurs CD1 et CD2 pour la détermination des premier d1 et second d2 déplacements suivant respectivement les première X et seconde Y directions. Par conséquent, le premier déplacement d1 (suivant X) est déterminé en fonction de la capacité en cours c1 du premier condensateur CD1, et le second déplacement d2 (suivant Y) est déterminé en fonction de la capacité en cours c2 du deuxième condensateur CD2. Mais un tel agencement nécessite une calibration initiale et peut faire l’objet d’une dérive des capacités nominales (ou initiales) des premier CD1 et deuxième CD2 condensateurs due, par exemple, à un échauffement et/ou à des déformations irréversibles.It will be noted that in the second embodiment illustrated in the form of a block diagram in FIG. 2, the device AP only comprises two capacitors CD1 and CD2 for the determination of the first d1 and second d2 displacements according respectively to the first X and second Y directions. Consequently, the first displacement d1 (along X) is determined as a function of the current capacity c1 of the first capacitor CD1, and the second displacement d2 (along Y) is determined as a function of the current capacity c2 of the second capacitor CD2. However, such an arrangement requires an initial calibration and may be subject to a drift in the nominal (or initial) capacities of the first CD1 and second CD2 capacitors due, for example, to heating and / or to irreversible deformations.
Afin de s’affranchir de cette dérive, il est avantageux d’effectuer des mesures différentielles suivant les première X et seconde Y directions en utilisant des troisièmes CD3 et quatrième CD4 condensateurs en complément des premier CD1 et deuxième CD2 condensateurs, comme illustré dans le premier exemple de réalisation des figures 1 et 3.In order to overcome this drift, it is advantageous to carry out differential measurements along the first X and second Y directions by using third CD3 and fourth CD4 capacitors in addition to the first CD1 and second CD2 capacitors, as illustrated in the first exemplary embodiment of FIGS. 1 and 3.
Plus précisément, le troisième condensateur CD3 comprend deux éléments conducteurs solidarisés respectivement aux premier CA1 et second CA2 cadres sur un troisième côté parallèle au premier côté, et le quatrième condensateur CD4 comprend deux éléments conducteurs solidarisés respectivement aux premier CA1 et second CA2 cadres sur un quatrième côté parallèle au deuxième côté. Le troisième condensateur CD3 est similaire au premier condensateur CD1 et son espacement e3 varie de façon opposée à l’espacement e1 du premier condensateur CD1 (quand l’un augmente l’autre diminue et donc quand la capacité de l’un diminue, la capacité de l’autre augmente). De même, le quatrième condensateur CD4 est similaire au deuxième condensateur CD2 et son espacement e4 varie de façon opposée à l’espacement e2 du deuxième condensateur CD2 (quand l’un augmente l’autre diminue et donc quand la capacité de l’un diminue la capacité de l’autre augmente). Dans une variante de réalisation dans laquelle les condensateurs CD1 et CD2 sont parallèles à l’axe de déplacement c’est la surface en regard qui va varier. Dans une autre variante de réalisation dans laquelle les deux plaques conductrices font un angle par rapport à l’axe de déplacement on a un couplage de l’écartement entre les deux plaques et l’aire en regard des deux plaques.More specifically, the third capacitor CD3 comprises two conductive elements secured respectively to the first CA1 and second CA2 frames on a third side parallel to the first side, and the fourth capacitor CD4 comprises two conductive elements respectively secured to the first CA1 and second CA2 frames on a fourth side parallel to the second side. The third capacitor CD3 is similar to the first capacitor CD1 and its spacing e3 varies in contrast to the spacing e1 of the first capacitor CD1 (when one increases the other decreases and therefore when the capacity of one decreases, the capacity on the other increases). Similarly, the fourth capacitor CD4 is similar to the second capacitor CD2 and its spacing e4 varies in contrast to the spacing e2 of the second capacitor CD2 (when one increases the other decreases and therefore when the capacity of one decreases the capacity of the other increases). In an alternative embodiment in which the capacitors CD1 and CD2 are parallel to the axis of movement, the facing surface will vary. In another alternative embodiment in which the two conductive plates form an angle with respect to the axis of movement, there is a coupling of the spacing between the two plates and the area opposite the two plates.
Dans ce cas, la source d’excitation SE applique le signal électrique périodique précité à l’un des éléments conducteurs de chacun des troisième CD3 et quatrième CD4 condensateurs, et les moyens de mesure MM délivrent des troisième sm3 et quatrième sm4 signaux de mesure qui sont représentatifs respectivement de troisième c3 et quatrième c4 capacités en cours des troisième CD3 et quatrième CD4 condensateurs. De plus, les moyens de traitement MT déterminent les premier d1 et second d2 déplacements de la paroi PT en fonction du signal électrique périodique (généré par la source d’excitation SE) et des premier sm1, deuxième sm2, troisième sm3 et quatrième sm4 signaux de mesure (délivrés par les moyens de mesure MM).In this case, the excitation source SE applies the aforementioned periodic electrical signal to one of the conductive elements of each of the third CD3 and fourth CD4 capacitors, and the measurement means MM deliver third sm3 and fourth sm4 measurement signals which are respectively representative of third c3 and fourth c4 current capacities of the third CD3 and fourth CD4 capacitors. In addition, the processing means MT determine the first d1 and second d2 displacements of the wall PT as a function of the periodic electrical signal (generated by the excitation source SE) and the first sm1, second sm2, third sm3 and fourth sm4 signals. of measurement (delivered by means of measurement MM).
A cet effet, les moyens de traitement MT peuvent, par exemple, déterminer le premier déplacement d1 (suivant X) en fonction du signal électrique périodique et de la différence entre les premier sm1 et troisième sm3 signaux de mesure, et le second déplacement (suivant Y) en fonction du signal électrique périodique et de la différence entre les deuxième sm2 et quatrième sm4 signaux de mesure. Cette solution est illustrée schématiquement et partiellement sur la figure 3, pour la partie des moyens de mesure MM et des moyens de traitement MT qui est dédiée à la détermination du premier déplacement d1 suivant la première direction X.To this end, the processing means MT can, for example, determine the first displacement d1 (along X) as a function of the periodic electrical signal and the difference between the first sm1 and third sm3 measurement signals, and the second displacement (following Y) as a function of the periodic electrical signal and of the difference between the second sm2 and fourth sm4 measurement signals. This solution is illustrated schematically and partially in FIG. 3, for the part of the measurement means MM and of the processing means MT which is dedicated to the determination of the first displacement d1 in the first direction X.
Plus précisément, dans l’exemple illustré non limitativement sur la figure 3, la partie des moyens de mesure MM dédiée à la détermination du premier déplacement d1 comprend deux amplificateurs trans-impédance AT synchrones et chargés de convertir en tensions amplifiées sm1 et sm3 les courants sortant respectivement des premier CD1 et troisième CD3 condensateurs. De plus, la partie des moyens de traitement MT dédiée à la détermination du premier déplacement d1 comprend, d’une première part, deux premiers filtres F1 synchrones et chargés de filtrer respectivement les première sm1 et troisième sm3 tensions amplifiées à la fréquence du signal d’excitation pour supprimer les fréquences parasites (ce qui fournit sm1’ et sm3’), d’une deuxième part, deux redresseurs RS synchrones et chargés de redresser respectivement les première sm1’ et troisième sm3’ tensions amplifiées et filtrées (ce qui fournit sm1” et sm3”), d’une troisième part, un amplificateur opérationnel AO chargé de soustraire la troisième tension amplifiée, filtrée et redressée sm3” de la première tension amplifiée, filtrée et redressée sm1” (ce qui fournit ss = sm1” - sm3”), et, d’une quatrième part, un second filtre F2, par exemple du premier ordre, chargé de lisser le signal ss de la soustraction pour fournir une valeur de tension finale vf qui est alors représentative du premier déplacement d1 (suivant X).More precisely, in the example illustrated without limitation in FIG. 3, the part of the measurement means MM dedicated to determining the first displacement d1 comprises two trans-impedance amplifiers AT synchronous and responsible for converting the currents into amplified voltages sm1 and sm3 leaving respectively the first CD1 and third CD3 capacitors. In addition, the part of the processing means MT dedicated to determining the first displacement d1 comprises, firstly, two first filters F1 synchronous and responsible for filtering the first sm1 and third sm3 respectively amplified voltages at the frequency of the signal d 'excitation to suppress parasitic frequencies (which provides sm1' and sm3 '), on the other hand, two synchronous RS rectifiers responsible for rectifying the first sm1' and third sm3 respectively 'amplified and filtered voltages (which provides sm1 ”And sm3”), on the other hand, an operational amplifier AO responsible for subtracting the third amplified, filtered and rectified voltage sm3 ”from the first amplified, filtered and rectified voltage sm1” (which provides ss = sm1 ”- sm3 ”), And, on the other hand, a second filter F2, for example of the first order, responsible for smoothing the signal ss of the subtraction to provide a value of final voltage vf which is then representative of the first displacement d1 (along X).
On réalise donc ainsi une modulation/démodulation synchrone qui permet de limiter le bruit au maximum. Mais on pourrait faire une mesure de capacitance par un autre moyen.A synchronous modulation / demodulation is thus carried out which makes it possible to limit the noise to the maximum. But we could measure capacitance by another means.
On comprendra que l’on utilise une autre partie des moyens de mesure MM et des moyens de traitement MT similaire à celle décrite ci-avant pour la détermination du second déplacement d2 suivant la seconde direction Y.It will be understood that another part of the measurement means MM and of the processing means MT similar to that described above is used for determining the second displacement d2 in the second direction Y.
Par exemple, et comme illustré non limitativement sur la figure 1, les moyens de rappel élastique MRE peuvent comprendre deux premières lames flexibles L1 et deux secondes lames flexibles L2. Les deux premières lames flexibles L1 sont solidarisées au premier cadre CA1 et comportent chacune deux premières extrémités E1 opposées et arrondies. Les deux secondes lames flexibles L2 sont solidarisées au second cadre CA2 et comportent chacune deux secondes extrémités E2 opposées, arrondies et placées chacune en regard et à proximité de l’une des premières extrémités E1.For example, and as illustrated without limitation in FIG. 1, the elastic return means MRE may comprise two first flexible blades L1 and two second flexible blades L2. The first two flexible blades L1 are secured to the first frame CA1 and each have two opposite opposite rounded ends E1. The two second flexible blades L2 are secured to the second frame CA2 and each have two second opposite ends E2, rounded and each placed opposite and close to one of the first ends E1.
Ainsi, lorsque la paroi PT est déplacée par le doigt DU de sa position nominale (ou centrée) vers une position décentrée temporaire, une seconde extrémité E2 de l’une au moins des deux secondes lames flexibles L2 va pousser la première extrémité E1 de l’une au moins des deux premières lames flexibles L1. Par conséquent, dès que le doigt DU ne contacte plus la paroi PT, cette dernière (PT) revient automatiquement, par rappel élastique, dans sa position nominale (ou centrale) du fait qu’elle est repoussée par chaque première extrémité E1 ayant été poussée par une seconde extrémité E2 correspondante.Thus, when the wall PT is moved by the finger DU from its nominal (or centered) position to a temporary off-center position, a second end E2 of at least one of the two second flexible blades L2 will push the first end E1 of the 'at least one of the first two flexible blades L1. Consequently, as soon as the finger DU no longer contacts the wall PT, the latter (PT) automatically returns, by elastic return, to its nominal (or central) position because it is pushed back by each first end E1 having been pushed by a second corresponding end E2.
On notera, comme illustré non limitativement sur les figures 1 à 3, que chacune des secondes lames L2 peut constituer l’un des éléments conducteurs de l’un des premier CD1 et troisième CD3 condensateurs.It will be noted, as illustrated without limitation in FIGS. 1 to 3, that each of the second blades L2 can constitute one of the conducting elements of one of the first CD1 and third CD3 capacitors.
Dans ce cas, les premier CD1 et troisième CD3 condensateurs comprennent chacun un autre élément conducteur EC3 solidarisé au premier cadre CA1 sur le premier ou troisième côté et en regard d’une partie de la seconde lame L2 correspondante. De leur côté, les deuxième CD2 et quatrième CD4 condensateurs comprennent chacun, d’une part, un premier élément conducteur EC1 solidarisé au premier cadre CA1 sur le deuxième ou quatrième côté, et, d’autre part, un second élément conducteur EC2 solidarisé au second cadre CA2 sur le deuxième ou quatrième côté et en regard d’une partie du premier élément conducteur EC1 associé. De la même manière que pour le premier axe, il est possible d’utiliser le second cadre (interne) CA2 comme élément conducteur en regard des éléments conducteurs fixes avec le premier cadre CA1.In this case, the first CD1 and third CD3 capacitors each include another conductive element EC3 secured to the first frame CA1 on the first or third side and facing a part of the corresponding second blade L2. For their part, the second CD2 and fourth CD4 capacitors each comprise, on the one hand, a first conductive element EC1 secured to the first frame CA1 on the second or fourth side, and, on the other hand, a second conductive element EC2 secured to the second frame CA2 on the second or fourth side and facing a part of the first associated conducting element EC1. In the same way as for the first axis, it is possible to use the second (internal) frame CA2 as a conductive element opposite the fixed conductive elements with the first frame CA1.
On notera également, comme illustré non limitativement sur la figure 1, que l’appareil AP peut aussi comprendre des moyens de réglage MRG solidarisés au premier cadre CA1 et contrôlables de manière à régler l’espacement (ou écartement) initial entre les éléments conducteurs (EC1, EC2) ou (L2, EC3) de chaque condensateur CD1 à CD4.It will also be noted, as illustrated without limitation in FIG. 1, that the apparatus AP can also include adjustment means MRG secured to the first frame CA1 and controllable so as to adjust the initial spacing (or spacing) between the conductive elements ( EC1, EC2) or (L2, EC3) of each capacitor CD1 to CD4.
Dans ce cas, et comme illustré, les moyens de réglage MRG peuvent, par exemple, comprendre des barres flexibles, installées chacune en regard de l’un des éléments conducteurs EC1 et EC3, et des vis installées parallèlement à la première X ou seconde Y direction et chargées chacune de pousser (plus ou moins selon les besoins) une partie centrale d’une barre flexible associée afin que cette dernière pousse (plus ou moins selon les besoins) l’élément conducteur EC1 ou EC3 associé pour définir son espacement nominal avec l’élément conducteur EC2 ou la seconde L2 lame associée. On peut ainsi définir très précisément les espacements nominaux e1 à e4 (ou seulement e1 et e2 dans le cas du second exemple de réalisation). Il est aussi possible d’utiliser le second cadre (interne) CA2 comme élément conducteur en regard des autres éléments conducteurs sur le premier cadre CA1.In this case, and as illustrated, the adjustment means MRG can, for example, include flexible bars, each installed opposite one of the conductive elements EC1 and EC3, and screws installed parallel to the first X or second Y steering and each responsible for pushing (more or less as required) a central part of an associated flexible bar so that the latter pushes (more or less as required) the associated conductive element EC1 or EC3 to define its nominal spacing with the conductive element EC2 or the second associated blade L2. We can thus very precisely define the nominal spacings e1 to e4 (or only e1 and e2 in the case of the second exemplary embodiment). It is also possible to use the second (internal) frame CA2 as a conductive element opposite the other conductive elements on the first frame CA1.
On notera également que les moyens de traitement MT peuvent être également agencés de manière à déterminer un effort appliqué par le doigt DU sur la paroi PT en fonction des premier d1 et second d2 déplacements déterminés.It will also be noted that the processing means MT can also be arranged so as to determine a force applied by the finger DU to the wall PT as a function of the first d1 and second d2 displacements determined.
Pour ce faire, on peut considérer que les premier CA1 et second CA2 cadres sont liés par une liaison élastique définie par les moyens de rappel élastique MRE et suivant une première loi du type F1 = k1*d1 où F1 est la première composante suivant la première direction X de l’effort (ou force) appliqué(e) par le doigt DU sur la paroi PT et k1 (ou kx) est la raideur de la liaison élastique suivant la première direction X, et une seconde loi du type F2 = k2*d2 où F2 est la seconde composante suivant la seconde direction Y de l’effort (ou force) appliqué(e) par le doigt DU sur la paroi PT et k2 (ou ky) est la raideur de la liaison élastique suivant la seconde direction Y. Les moyens de traitement MT connaissant à l’avance les raideurs k1 et k2 et venant de déterminer les premier d1 et second d2 déplacements, ils peuvent alors 5 déduire les première F1 et seconde F2 composantes de l’effort au moyen des première et seconde lois. De telles déductions peuvent se faire facilement au moyen de composants électroniques (bien connus de l’homme de l’art) et/ou de modules logiciels (ou « software »).To do this, we can consider that the first CA1 and second CA2 frames are linked by an elastic connection defined by the elastic return means MRE and according to a first law of the type F1 = k1 * d1 where F1 is the first component following the first direction X of the force (or force) applied by the finger DU on the wall PT and k1 (or kx) is the stiffness of the elastic bond in the first direction X, and a second law of the type F2 = k2 * d2 where F2 is the second component in the second direction Y of the force (or force) applied by the finger DU to the wall PT and k2 (or ky) is the stiffness of the elastic bond in the second direction Y. The processing means MT knowing in advance the stiffnesses k1 and k2 and having just determined the first d1 and second d2 displacements, they can then deduce the first F1 and second F2 components of the force by means of the first and second laws. Such deductions can be easily done using electronic components (well known to those skilled in the art) and / or software modules (or "software").
L’invention offre plusieurs avantages, parmi lesquels :The invention offers several advantages, including:
- elle permet d’obtenir des mesures très précises et très rapides du déplacement vectoriel de la paroi contactée, et éventuellement d’en déduire un effort appliqué sur cette paroi contactée qui est nettement moins bruité que celui déterminé avec les techniques de l’art antérieur. Cela peut notamment permettre d’utiliser les mesures d’effort pour contrôler des interfaces homme/machine haptiques (avec une réduction considérable de leurs aléas),- It makes it possible to obtain very precise and very rapid measurements of the vector displacement of the contacted wall, and possibly to deduce therefrom a force applied to this contacted wall which is clearly less noisy than that determined with the techniques of the prior art. . This can in particular make it possible to use the effort measurements to control haptic man / machine interfaces (with a considerable reduction in their hazards),
- elle permet une intégration plus simple et beaucoup moins coûteuse que lorsque l’on utilise des capteurs d’efforts précis du commerce.- it allows a simpler and much less expensive integration than when using precise commercial force sensors.
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