WO2014170180A2 - Procede de detection capacitif multizone, dispositif et appareil mettant en oeuvre le procede - Google Patents

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capacitive
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Fogale Nanotech SAS
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    • G06F2203/04104—Multi-touch detection in digitiser, i.e. details about the simultaneous detection of a plurality of touching locations, e.g. multiple fingers or pen and finger

Definitions

  • the present invention relates to a multi-zone capacitive sensing method and device.
  • the field of the invention is more particularly but in a nonlimiting manner that of capacitive detection systems and tactile and non-contact human-machine interfaces.
  • tactile or non-contact measurement interfaces as a human-machine interface for entering commands.
  • These interfaces can in particular take the form of pads or touch screens. They are found for example in mobile phones, smartphones, touch screen computers, tablets, pads, PCs, mice, touch panels and giant screens.
  • the measuring surface is equipped with conductive electrodes connected to electronic means which make it possible to measure the variation of the capacitances appearing between electrodes and the object to be detected in order to carry out a command.
  • interfaces are tactile, that is, they can detect the contact of one or more object (s) of interest or control (such as fingers or a stylus) with the surface of the interface.
  • document FR 2 756 048 by Rozière discloses a capacitive measurement method which makes it possible to measure the capacitance and the distance between a plurality of independent electrodes and an object in the vicinity.
  • This technique makes it possible to obtain capacitance measurements between the electrodes and the objects with a high resolution and sensitivity, making it possible to detect for example a finger several centimeters or even ten centimeters apart.
  • the detection can be done in the space in three dimensions but also on a surface, called measuring surface.
  • control object can be considered to be at a reference electrical potential such as an electrical ground or earth.
  • the electrodes are biased to an excitation voltage. Capacitive coupling is thus measured between these polarized electrodes and the object at the reference potential.
  • the electrical circuit comprises a reference potential or an internal mass that is floating relative to the earth, since it is powered by a battery.
  • this internal reference potential is brought back to earth or at least to the potential of the user's body.
  • it is "seen" as being substantially at the internal reference potential or the device's ground potential.
  • Such devices may for example be equipped with electrodes on the face opposite the screen and / or on the sides, in order to detect additional information on their environment, the manner in which they are held, etc.
  • the problem which arises in this case is that, because of the floating nature of the on-board electronics with respect to earth, if measurement electrodes biased to an excitation voltage are in electrical contact or strongly coupled (capacitively) with for example the hand of the user holding the device, the entire body of the user is “seen” by the electronics as being substantially at this excitation potential. And in this case the control object which is for example its second hand is also “seen” as being substantially at the excitation potential of the electrodes. The capacitive coupling is then zero or very weak and the object is not detected or only at a short distance.
  • Capacitive sensing techniques are also used to equip systems such as robots or mobile medical imaging devices (scanners, ...) to make them sensitive to their environment.
  • the principle is the same: the capacitive coupling is measured between polarized capacitive electrodes at an excitation voltage and supposed environmental objects at an electrical reference potential, ground or earth.
  • the electrodes are protected from undesired influences of the environment (parasitic capacitances) by disposing conductive surfaces with the same potential of excitement nearby.
  • An object of the present invention is to propose a capacitive detection method and a device that make it possible to solve these disadvantages of the prior art.
  • Another object of the present invention is to propose a capacitive detection method and a device which makes it possible to equip electrically floating apparatus with respect to a general mass or earth capacitive detection electrodes able to detect the approach of objects of interest so that the measurements are not or hardly affected by strong electrical couplings of certain electrodes with the mass or the earth.
  • Another object of the present invention is to propose a capacitive detection method and a device that makes it possible to equip portable devices such as smartphones or capacitive detection electrode tablets on a plurality of faces so that the measurements are not not or little affected by strong electrical couplings of some electrodes with mass or earth.
  • Another object of the present invention is to propose a capacitive detection method and a device which makes it possible to equip a plurality of capacitive detection electrode devices so that these devices are also able to detect each other mutually.
  • a capacitive detection method implementing a plurality of electrodes able to allow the detection of objects in their vicinity by capacitive coupling, characterized in that it comprises a step of polarization simultaneously of at least a portion of said electrodes with different excitation potentials, which excitation potentials are generated with respect to a reference potential such that the dot product has a predetermined duration of at least two of these excitation potentials either zero or much less than the dot product of one and / or the other of these excitation potential with itself over said predetermined duration.
  • the excitation potentials may correspond, for example, to time values of electrical excitation signals referenced to the reference potential, or else to differences in electrical voltage with respect to the reference potential.
  • the excitation potentials generated may comprise:
  • At least one excitation potential whose scalar product with a perturbation signal is minimized; at least one excitation potential substantially equal to the reference potential.
  • the method according to the invention may further comprise a step of measuring the capacitive coupling of an electrode, comprising:
  • a capacitive detection device comprising a plurality of electrodes adapted to allow the detection of objects in their vicinity by capacitive coupling, and further comprising excitation means able to polarize simultaneously. at least a portion of said electrodes with different excitation potentials, which excitation potentials are generated with respect to a reference potential such that the dot product has a predetermined duration of at least two of these excitation potentials either zero or much less than the dot product of one and / or the other of these excitation potential with itself over said predetermined time.
  • the device according to the invention may furthermore comprise:
  • the device according to the invention may further comprise means for polarizing at least one electrode:
  • an apparatus comprising a capacitive detection device, and implementing the method according to the invention.
  • the apparatus according to the invention can comprise, according to a first face, a display screen and first substantially transparent electrodes polarized at a first potential. excitation, and in a second face opposite to the first face of the second electrodes biased to a second excitation potential.
  • the device can be in particular one of the following types: smartphone, tablet.
  • the apparatus according to the invention may comprise a plurality of modules able to move relative to each other, each module comprising polarized electrodes at a different excitation potential from the other modules.
  • FIG. 1 illustrates a first mode of implementation of the invention
  • FIG. 2 illustrates a second embodiment of the invention
  • FIG. 3 illustrates an electronic block diagram for implementing the invention
  • FIG. 4 illustrates a timing diagram of the acquisition of measurements.
  • FIG. 1 a first embodiment of the invention.
  • This mode corresponds for example to the implementation of the invention in an electronic device 2 or a device 2 such as a telephone, a smartphone, a tablet PC, which comprises for example several screens, or a screen and sensitive areas such as buttons, ....
  • the apparatus 2 which is shown in section is representative of a smartphone or a tablet PC. It comprises a first face with a display screen 4 equipped with first transparent capacitive electrodes 5 distributed (for example in a matrix arrangement) on its surface. These first electrodes 5 and their associated electronics make it possible to detect the position, the distance 3 and / or the contact of a control object 1 on the display screen 4.
  • the control object 1 can be for example a finger of the user. Positions and distances detected are then trad uites in terms of commands by the control software of the human-machine interface of the apparatus 2.
  • the apparatus comprises a first guiding surface 6 located behind the first electrodes 5 of the screen, between these electrodes 5 and the other elements of the apparatus 2. This first guard 6 is biased to the same potential
  • the first electrodes 5 are energized electrically so as to avoid parasitic capacitive coupling between the first electrodes 5 and the internal elements of the apparatus 2, such as the electronics 12.
  • the electrical excitation potential is defined with respect to a reference potential 13 which corresponds to the general mass of the electron 12 of the apparatus 2. It should be noted that in the case of a device When the portable battery is powered, in the absence of a galvanic connection or significant coupling with the earth, this reference potential 13 is floating relative to the earth.
  • the apparatus 2 also comprises second electrodes 7 distributed
  • These second electrodes 7 may be transparent electrodes superimposed on a second display screen, or electrodes simply equipping the housing of the device 2.
  • These second electrodes 7 and their associated electronics make it possible to detect the position, the distance 3 and / or the contact of objects in their environment.
  • the apparatus 2 further comprises a second conductive guard surface 8 located behind the second electrodes 7 of the screen, between these electrodes 7 and the other elements of the apparatus 2.
  • This second guard 8 is polarized at the same electrical potential of the excitation that the second electrodes 7, so as to avoid spurious capacitive coupling between the second electrodes 7 and internal elements of the device 2, such as the electronic 12.
  • the apparatus 2 may further comprise third electrodes 10, 11 on the side faces.
  • the second face 14 and the side faces are privileged places to hold the device 2 in the hand, or place it on the palm of the hand, or to put it on a table or on the floor.
  • the devices of the prior art which comprise only first electrodes 5 are designed so that when they are held or placed, the general mass of the electronics 12 is coupled (by electrical contact or by capacitive coupling) to the body of the electronics. the user and / or the support. Under these conditions it is possible to ensure that the reference potential 13 corresponds substantially to the potential of the body of the user and / or the earth. A finger or a conductive object held by the user then constitutes a control object 1 substantially at the reference potential 13 and can therefore be detected under the best conditions by the first electrodes 5.
  • a device 2 as illustrated in FIG. 1 When a device 2 as illustrated in FIG. 1 is placed on a support 9 such as a hand or a table on the side for example of the second electrodes 7, it establishes a strong capacitive coupling between the support 9 and these electrodes 7. It follows that, compared to internal reference potential 13 of the apparatus 2, the support 9 appears as polarized at the excitation potential of the second electrodes 7. According to the same reasoning as above, the control object 1 is "seen” with respect to the reference potential internal 13 of the device 2 as being biased substantially at the same potential as the support 9, that is to say the excitation potential of the second electrodes 7. And if the excitation potential is identical for all electrodes as in the devices of the prior art, the control object 1 no longer generates capacitive coupling with the electrodes and can therefore no longer be detected (or at least only with very degraded performances).
  • the solution implemented by the invention comprises the generation of different and substantially orthogonal excitation potentials in the mathematical sense for the first electrodes 5 and the second electrodes 7.
  • the apparatus 2 may comprise third electrodes 10, 11 distinct respectively to the first and second faces 4, 14, as illustrated in FIG. 1.
  • one of the third electrodes 10 may be at the excitation potential of the first electrodes 5, and one of the third electrodes 11 may be at the excitation potential of the second electrodes 7; the apparatus 2 may comprise only a third electrode 10 or 11 which covers at least a part of the lateral face.
  • this third electrode may be at the excitation potential of the first electrodes 5 or at the excitation potential of the second electrodes 7. It may optionally be switched from one excitation potential to the other depending on information. from the measurements of the first and / or second electrodes.
  • the third electrode 10 or 11 may also be at a different excitation potential from that of the first and second electrodes.
  • the third electrodes may constitute a ring surrounding the apparatus 2, or comprise a plurality of electrodes distributed on these lateral faces.
  • This mode corresponds for example to the implementation of the invention in modules 21, 22 movable relative to each other and with respect to their environment.
  • This type of configuration can be found for example in robotics or in medical imaging devices with moving parts, such as scanners.
  • each module 21, 22 has at least one capacitive detection zone 23, 24 with electrodes 5, 7 to avoid collisions and / or to make its movement without collision independent. It is also necessary that the capacitive detection zone 23 of a module 21 can recognize the detection zone 24 of another module 22 as a target object to avoid any risk of collision between these modules.
  • the solution implemented by the invention comprises the generation of different excitation potentials and substantially orthogonal to the mathematical sense for the electrodes of the detection zones of the different modules 21, 22.
  • the measurements of the various modules 21, 22 are managed by the same capacitive measuring device 25.
  • the modules 21, 22 of FIG. 2 may also be provided with a plurality of detection zones or multi-face electrodes as shown in FIG. 1.
  • the detection zones can be managed as explained below so as not to disturb each other between zones of the same module and / or different modules.
  • the diagram presented comprises a plurality of measurement channels in parallel.
  • Fig. 3 shows an example with two measurement channels.
  • Each measurement channel allows the control and acquisition of measurements on one or a plurality of electrodes, as well as the generation of a distinct excitation potential for these electrodes.
  • the detection electronics 12 comprises a so-called "floating" portion 32 (33), referenced to the excitation potential 42 (43), and which comprises the first measurement stages as close as possible to the electrodes.
  • the excitation potential 42 (43) is generated by a time-varying voltage source (31) referenced to the reference potential 13 of the electronics 12.
  • the floating electronics 32 (33) essentially comprises a charge amplifier 34 (35) referenced to the excitation potential 42 (43).
  • This charge amplifier 34 (35) is input connected to a measurement electrode (7). It makes it possible to generate a voltage proportional to the charge accumulated in the electrode 5 (7), which depends on the coupling capacitance generated by the objects 1 (9) in the vicinity of the electrode 5 (7).
  • the floating electronics 32 (33) also includes a multiplexer 44 (45) or a scanner which allows sequential "interrogation" of a plurality of electrodes 5 (7) with a single measurement channel.
  • This multiplexer 44 (45) is designed in such a way as to connect the electrodes 5 (7):
  • guard electrodes 6 behave like guard electrodes 6 (8), which makes it possible to avoid the appearance of parasitic capacitances with active electrodes connected to the input of the charge amplifier 34 (35).
  • the output signal of the charge amplifier 34 (35) is referenced to the excitation potential 42 (43). It is converted by a differential amplifier 36 (37) into a signal referenced to the reference potential 13.
  • the differential amplifier 36 (37) can be replaced by any other component for transferring a signal between electronic stages with different reference potentials.
  • the measurement signal is then demodulated by a demodulator 38 (39) to produce a measurement 40 (41) representative of the distance or coupling of the electrodes 5 (7) with the object (s) 1 (9).
  • the demodulator 38 (39) is digital.
  • This detection principle allows measurements with very high sensitivity and very high precision because all the electronic elements close to the electrodes 5 (7) are referenced and / or polarized at the excitation potential 42 (43). Because of the structure of the charge amplifier 34 (35), the electrodes 5 (7) are also biased at the excitation potential 42 (43). So it can not appear parasitic abilities. In addition, biasing elements at the excitation potential 42 (43), including guard electrodes 6 (8), may be added in the vicinity of the measuring electrodes 5 (7) or their connection tracks to avoid appearance of parasitic capacitances with nearby elements subject to another potential.
  • the electronics of FIG. 3 can be implemented in the device of FIG. 1 such that, for example,
  • the first measurement channel controls all the first electrodes 5 of the first face 6, and the second measurement channel controls all the second electrodes 7 of the second face 14;
  • the electrodes of a face 4, 14 are divided into zones and controlled respectively by several electronic measurement channels. This may improve the accuracy and independence of measurements in different areas;
  • the lateral electrodes 10, 11 are respectively controlled by a first and a second measurement channel;
  • the lateral electrodes 10, 11 are optionally connected to a first measurement channel or to a second measurement channel by switching means.
  • the switching can be performed according to information from other electrodes;
  • the lateral electrodes 10, 11 are controlled by a third electronic measurement channel
  • the electronics of FIG. 3 can be implemented in the device of FIG. 2 of the kind q ue, for example, all the electrodes of a module 21, 22 are controlled pa r a same electronic measurement channel.
  • the first measurement channel controls all the first electrodes 5 of the first module 21, and the second measurement channel controls all the second electrodes 7 of the second module 22.
  • an object of the invention is to provide a method that allows the management of a multiplicity of detection zones, some of which may be in strong coupling with the user or the target.
  • the set of electrodes of one or more detection zones is switched to the reference potential 13 when measurements with electrodes of another zone are acquired. detection.
  • the detection zones are mutually interfering, either by coupling irect as in the case of FIG. 2, or by coupling with a control object as in the case of FIG. 1.
  • this can be done advantageously by switching to the reference potential 13 u n excitation potential 43 for example.
  • this can be done in particular by transforming the voltage source 31 into a short circuit, which amounts to extinguishing it or generating zero voltage.
  • all the elements referenced to this excitation potential 43 are brought back to the reference potential 13, including the guard elements 8.
  • This first variant of the invention can be implemented in the embodiment of FIG. 1 in the following way:
  • the excitation potential 43 of the second electrodes 7 is switched to the reference potential 13, so that the second electrodes 7 of the second face 14 are placed at this reference potential 13;
  • the excitation potential 42 of the first electrodes 5 is switched to the reference potential 13 so as to set the first electrodes 5 of the first face 4 to this reference potential 13, or measurements with the second electrodes 7.
  • the device can be held and used on both sides, possibly in the same way.
  • the first variant of the invention can also be implemented in the embodiment of FIG. 2 as follows:
  • the excitation potential 43 of the second electrodes is switched to the reference potential 13, so that the second electrodes 7 of the second module 22 are put at this reference potential 13;
  • first electrodes 5 of the first module 21 are sensitive of the same so as to the presence of the second module 22, including according to the detection zone 24, that the rest of the environment;
  • the excitation potential 42 of the first electrodes 5 is switched to the reference potential 13 in such a way as to set the first electrodes 5 of the first module 21 at this reference potential 13, and then measurements are taken with the second electrodes 7 of the second module 22.
  • This first variant of the invention has the drawback that the electrodes of the different detection zones must be activated and interrogated sequentially.
  • V el (1) is the (digital) coupling signal obtained at the output 40 of the demodulator 38 of the first channel of the detection electronics, and which provides a measurement representative of the capacitive coupling or the distance between a first measuring electrode 5 and an object of interest 1.
  • the coupling signal v ei (1) is updated with a time period greater than or equal to the accumulation time ⁇ ⁇ of the measurements in the demodulator 38, as will be seen below. It can correspond for example:
  • U sl (t) is the analog load measurement signal, referenced to the reference potential 13, which appears at the output of the differential amplifier 36.
  • the load measuring signal is demodulated in the demodulator 38 (for channel 1) to obtain the coupling signal V ei (1).
  • This demodulation is a synchronous amplitude demodulation (baseband transposition and low-pass filtering) in which the excitation signal of the channel concerned is used as local oscillator 30, 31. It is done numerically. It comprises a term-to-term multiplication of the load measurement signal U if (k) with the excitation signal of the corresponding channel i and a summation of the terms of the product over a storage time duration ⁇ ⁇ , that is,
  • N s ⁇ ⁇ / ⁇ ⁇ .
  • the excitation signal can be written in the general form of a product of an amplitude term and a basic function bi (k which defines its temporal form, ie:
  • V i (k) ⁇ V i ⁇ b i (k).
  • the load measured on a first electrode 5 polarized at a first excitation potential V t (t) in the presence of an object of interest 1 can be expressed as follows:
  • the capacitance C lt is the capacity to be measured between the electrode 5 and the object of interest 1 assumed at the reference potential 13.
  • the capacitance C 12 is a parasitic capacitance due for example to a partial coupling between the object of interest 1 and second electrodes 7 (and guard electrodes 8) biased to the second excitation potential v 2 (t).
  • the capacitance c lp is a parasitic capacitance due to couplings with the source of additional electrical perturbation.
  • the source of additional electrical disturbance V p may be due for example to a connection of a portable device to a charger.
  • This exciting potential of the stylus can then be chosen to contribute to measuring or improving the measurement with at least one of the measuring channels, or with several measurement channels sequentially. In this case, it may for example be synchronous with the excitation potential of the electrodes of at least one measurement channel.
  • the measured load can be rewritten in a factored numerical form, either
  • the first term of the general expression of the coupling signal V ei (Q, which depends only on the excitation potential i, corresponds to the value that it is desired to measure.
  • Basic functions can be discrete functions that can take two values, such as + 1 and - 1.
  • Basic functions can also be discrete functions that can take a more complete discrete set of values such as:
  • the basic functions can be chosen so as to generate a periodic square signal pattern, or close to a sinusoid. Each basic function can then be essentially represented by a frequency f 1;
  • the basic functions can be chosen in such a way as to minimize energy peaks, or to smooth the spectrum.
  • the basic functions b t may be chosen so as to minimize the energy at low frequencies where the noise in 1 / f penalizes the system, and / or to avoid the energy at high frequencies for reasons of electromagnetic compatibility or of consumption ;
  • the choice may be further oriented to minimize the scalar product term with a parasitic disturbance V p undergone, so as to minimize its influence.
  • the basic functions b t can be pre-calculated and recorded in the device that has them in real time without additional calculation;
  • b 2 (k) +1; +1; +1; +1; -1; -1; -1; ... repeated 199 times.
  • b ⁇ k) +1; +1; -1; -1; +1; +1; -1; -1; ... repeated 199 times;
  • b 2 (k) -1; +1; +1; -1; -1; +1; +1; -1; ... repeated 199 times.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de détection capacitif, mettant en œuvre une pluralité d'électrodes (5, 7) aptes à permettre la détection d'objets (1)dans leur voisinage par couplage capacitif, et comprenant une étape de polarisation de manière simultanée d'au moins une partie desdites électrodes (5, 7) avec des potentiels d'excitation différents, lesquels potentiels d'excitation étant générés par rapport à un potentiel de référence de telle sorte que le produit scalaire sur une durée prédéterminée d'au moins deux de ces potentiels d'excitation soit nul ou très inférieur au produit scalaire de l'un et/ou de l'autre de ces potentiel d'excitation avec lui-même sur ladite durée prédéterminée. L'invention concerne aussi un dispositif et un appareil mettant en œuvre le procédé.

Description

« Procédé de détection capacitif multizone, dispositif et appareil mettant en œuvre le procédé »
Domaine technique
La présente invention concerne un procédé et un dispositif de détection capacitif multizone. Le domaine de l'invention est plus particulièrement mais de manière non limitative celui des systèmes de détection capacitifs et des interfaces homme-machine tactiles et sans contact.
Etat de la technique antérieure
De nombreux appareils de communication et de travail utilisent des interfaces de mesure tactile ou sans contact comme interface homme- machine pour entrer des commandes. Ces interfaces peuvent notamment prendre la forme de pads ou d'écrans tactiles. On les trouve par exemple dans des téléphones mobiles, des smartphones, des ordinateurs à écran tactile, des tablettes, des pads, des PC, des souris, des dalles tactiles et des écrans géants
Ces interfaces utilisent fréquemment les technologies capacitives. La surface de mesure est équipée d'électrodes conductrices reliées à des moyens électroniques qui permettent de mesurer la variation des capacités apparaissant entre des électrodes et l'objet à détecter pour effectuer une commande.
Il est possible de réaliser des électrodes transparentes, qui permettent de superposer une interface sur un écran d'affichage, par exemple de smartphone.
La plupart de ces interfaces sont tactiles, c'est-à-dire qu'elles peuvent détecter le contact d'un ou de plusieurs objet(s) d'intérêt ou de commande (tels que des doigts ou un stylet) avec la surface de l'interface.
Il se développe de plus en plus d'interfaces gestuelles ou sans contact, qui sont en mesure de détecter des objets de commande à une plus grande distance de l'interface, sans contact avec la surface.
Le développement d'interfaces sans contact nécessite la mise en œuvre de techniques de mesure capacitive de très grande sensibilité et offrant une grande immunité aux perturbations de l'environnement. En effet, la capacité qui se crée entre des électrodes de mesure capacitive de l'interface et des objets de commande est inversement proportionnelle à la distance qui les sépare.
On connaît par exemple le document FR 2 756 048 de Rozière qui divulgue un procédé de mesure capacitive qui permet de mesurer la capacité et la distance entre une pluralité d'électrodes indépendantes et un objet à proximité.
Cette technique permet d'obtenir des mesures de capacité entre les électrodes et les objets avec une résolution et une sensibilité élevées, permettant de détecter par exemple un doigt à plusieurs centimètres voire à dix centimètres de distance. La détection peut se faire dans l'espace en trois dimensions mais également sur une surface, appelée surface de mesure.
De manière générale, l'objet de commande peut être considéré comme étant à un potentiel électrique de référence tel qu'une masse électrique ou la terre.
Dans la plupart des techniques de détection capacitives, les électrodes sont polarisées à une tension d'excitation . On mesure donc un couplage capacitif entre ces électrodes polarisées et l'objet au potentiel de référence.
Dans le cas d'un appareil portable tel qu'un smartphone ou une tablette, le circuit électrique comprend un potentiel de référence ou une masse interne qui est flottant par rapport à la terre, puisqu'il est alimenté par une batterie. Toutefois, par le jeu des couplages capacitifs avec son environnement (en particulier lorsqu'il est tenu dans une main d'un utilisateur), ce potentiel de référence interne est ramené à la terre ou au moins au potentiel du corps de l'utilisateur. Ainsi, lorsqu'une autre main s'approche des électrodes de mesure, elle est « vue » comme étant sensiblement au potentiel de référence interne ou au potentiel de masse du dispositif.
Il y a intérêt à développer des appareils portables, tels que des smartphones ou des tablettes, qui comportent des surfaces sensibles pourvues d'électrodes de mesure à d'autres endroits que l'écran d'affichage. De tels appareils peuvent être par exemple équipés d'électrodes sur la face opposée à l'écran et/ou sur les côtés, afin de détecter des informations complémentaires sur leur environnement, la façon dont ils sont tenus, etc.
Le problème qui se pose dans ce cas est que, du fait de la nature flottante de l'électronique embarquée par rapport à la terre, si des électrodes de mesure polarisées à une tension d'excitation sont en contact électrique ou fortement couplées (de manière capacitive) avec par exemple la main de l'utilisateur qui tient l'appareil, tout le corps de l'utilisateur est « vu » par l'électronique comme étant sensiblement à ce potentiel d'excitation. Et dans ce cas l'objet de commande qui est par exemple sa deuxième main est également « vu » comme étant sensiblement au potentiel d'excitation des électrodes. Le couplage capacitif est alors nul ou très faible et l'objet n'est pas détecté ou uniquement à faible distance.
Les techniques de détection capacitives sont également utilisées pour équiper des systèmes tels que des robots ou des appareils d'imagerie médicale mobiles (scanners, ...) afin de les rendre sensibles à leur environnement. Le principe est le même : on mesure le couplage capacitif entre des électrodes capacitives polarisées à une tension d'excitation et des objets de l'environnement supposés à un potentiel électrique de référence, à la masse ou à la terre.
Lorsque deux objets équipés d'électrodes capacitives sont en déplacement relatifs l'un par rapport à l'autre, ils risquent de ne pas se détecter mutuellement car si les électrodes de mesure sont au même potentiel il ne s'établit pas de couplage capacitif entre elles. C'est d'ailleurs le principe de la garde qui est utilisé dans la plupart des systèmes de détection capacitifs : les électrodes sont protégées des influences non désirées de l'environnement (les capacités parasites) en disposant des surfaces conductrices au même potentiel d'excitation à proximité.
Un objet de la présente invention est de proposer un procédé de détection capacitif et un dispositif qui permettent de résoudre ces inconvénients de l'art antérieur.
Un autre objet de la présente invention est de proposer un procédé de détection capacitif et un dispositif qui permette d'équiper des appareils électriquement flottants par rapport à une masse générale ou à la terre d'électrodes de détection capacitives aptes à détecter l'approche d'objets d'intérêt de telle sorte que les mesures soient pas ou peu affectées par des couplages électriques forts de certaines électrodes avec la masse ou la terre.
Un autre objet de la présente invention est de proposer un procédé de détection capacitif et un dispositif qui permette d'équiper des appareils portables tels que des smartphones ou des tablettes d'électrodes de détection capacitives sur une pluralité de faces de telle sorte que les mesures ne soient pas ou peu affectées par des couplages électriques forts de certaines électrodes avec la masse ou la terre.
Un autre objet de la présente invention est de proposer un procédé de détection capacitif et un dispositif qui permette d'équiper une pluralité d'appareils d'électrodes de détection capacitives de telle sorte que ces appareils soient également aptes à se détecter mutuellement.
Exposé de l'invention
Cet objectif est atteint avec un procédé de détection capacitif, mettant en œuvre une pluralité d'électrodes aptes à permettre la détection d'objets dans leur voisinage par couplage capacitif, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de polarisation de manière simultanée d'au moins une partie desdites électrodes avec des potentiels d'excitation différents, lesquels potentiels d'excitation étant générés par rapport à un potentiel de référence de telle sorte que le produit scalaire sur une durée prédéterminée d'au moins deux de ces potentiels d'excitation soit nul ou très inférieur au produit scalaire de l'un et/ou de l'autre de ces potentiel d'excitation avec lui-même sur ladite durée prédéterminée.
Les potentiels d'excitation peuvent correspondre par exemple à des valeurs temporelles de signaux électriques d'excitation référencés au potentiel de référence, ou encore à des différences de tension électrique par rapport au potentiel de référence.
Bien entendu, il peut être mis en œuvre dans la cadre de l'invention un nombre quelconque de potentiels d'excitation différents. Il peut notamment être mis en œuvre deux potentiels d'excitation, ou un nombre supérieur à deux de potentiels d'excitation.
Suivant des modes de mise en œuvre, les potentiels d'excitation générés peuvent comprendre :
- au moins un potentiel d'excitation variable dans le temps ;
- des potentiels d'excitation périodiques de fréquences différentes ;
- au moins un potentiel d'excitation dont le contenu fréquentiel est dispersé sur une bande spectrale ;
- deux potentiels d'excitation périodiques de même fréquence en quadrature de phase ;
- au moins un potentiel d'excitation dont le produit scalaire avec un signal de perturbation est minimisé ; - au moins un potentiel d'excitation sensiblement égal au potentiel de référence.
Le procédé selon l'invention peut comprendre en outre une étape de mesure du couplage capacitif d'une électrode, comprenant :
- une acquisition de mesures représentatives de la charge électrique de l'électrode, et
- une démodulation desdites mesures représentatives de la charge en utilisant le potentiel d'excitation de ladite électrode.
Suivant un autre aspect, il est proposé un dispositif de détection capacitif, comprenant une pluralité d'électrodes aptes à permettre la détection d'objets dans leur voisinage par couplage capacitif, et comprenant en outre des moyens d'excitation aptes à polariser de manière simultanée au moins une partie desdites électrodes avec des potentiels d'excitation différents, lesquels potentiels d'excitation étant générés par rapport à un potentiel de référence de telle sorte que le produit scalaire sur une durée prédéterminée d'au moins deux de ces potentiels d'excitation soit nul ou très inférieur au produit scalaire de l'un et/ou de l'autre de ces potentiel d'excitation avec lui- même sur ladite durée prédéterminée.
Le dispositif selon l'invention peut comprendre en outre :
- des moyens de mesure référencés au même potentiel d'excitation que les électrodes auxquelles ils sont reliés.
- des moyens de démodulation reliés aux moyens de mesure, et aptes à produire une mesure représentative du couplage capacitif référencée au potentiel de référence.
Suivant des modes de réalisation, le dispositif selon l'invention peut comprendre en outre des moyens permettant de polariser au moins une électrode :
- à plusieurs potentiels d'excitation différents, et/ou
- à au moins un potentiel d'excitation ou au potentiel de référence.
Suivant un autre aspect, il est proposé un appareil comprenant un dispositif de détection capacitif, et mettant en œuvre le procédé selon l'invention.
Suivant des modes de réalisation, l'appareil selon l'invention peut comprendre selon une première face un écran d'affichage et des premières électrodes sensiblement transparentes polarisées à un premier potentiel d'excitation, et selon une seconde face opposée à la première face des secondes électrodes polarisées à un second potentiel d'excitation.
L'appareil peut être notamment de l'un des types suivants : smartphone, tablette.
Suivant des modes de réalisation, l'appareil selon l'invention peut comprendre une pluralité de modules aptes à se déplacer l'un par rapport à l'autre, chaque module comprenant des électrodes polarisées à un potentiel d'excitation différent des autres modules.
Description des figures et modes de réalisation
D'autres avantages et particularités de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés suivants :
- la Fig. 1 illustre un premier mode de mise en œuvre de l'invention,
- la Fig. 2 illustre un deuxième mode de mise en œuvre de l'invention, - la Fig . 3 illustre un schéma de principe électronique pour mettre en œuvre l'invention
- la Fig . 4 illustre un chronogramme de l'acquisition des mesures.
Bien entendu, les modes de mise en œuvre de l'invention présentés ainsi que les répartitions et les dispositions des électrodes décrits dans ces modes de mise en œuvre ne sont en aucun cas limitatif. Ils sont simplement présentés à titre d'exemples représentatifs.
On va tout d'abord décrire, en référence à la Fig. 1, un premier mode de mise en œuvre de l'invention.
Ce mode correspond par exemple à la mise en œuvre de l'invention dans un dispositif électronique 2 ou un appareil 2 tel qu'un téléphone, un smartphone, une tablette PC, qui comporte par exemple plusieurs écrans, ou un écran et des zones sensibles telles que des boutons, ....
Dans l'exemple illustré à la Fig. 1, l'appareil 2 qui est présenté en coupe est représentatif d'un smartphone ou d'une tablette PC. Il comprend une première face avec un écran d'affichage 4 équipé de premières électrodes capacitives 5 transparentes réparties (par exemple selon une disposition matricielle) sur sa surface. Ces premières électrodes 5 et leur électronique associée permettent de détecter la position, la distance 3 et/ou le contact d'un objet de commande 1 sur l'écran d'affichage 4. L'objet de commande 1 peut être par exemple un doigt de l'utilisateur. Les positions et distances détectées sont ensuite trad uites en termes de commandes par le logiciel de contrôle de l 'interface homme-machine de l'appareil 2.
De manière classique, l'appareil comprend une première surface cond uctrice de garde 6 situé derrière les premières électrodes 5 de l 'écran, entre ces électrodes 5 et les autres éléments de l'appareil 2. Cette première garde 6 est polarisée au même potentiel électriq ue d 'excitation q ue les premières électrodes 5, de telle sorte à éviter les couplages capacitifs parasites entre les premières électrodes 5 et des éléments internes de l'appareil 2, tels que l 'électroniq ue 12.
Le potentiel électriq ue d 'excitation est défin i par rapport à un potentiel de référence 13 q ui correspond à la masse générale de l 'électron iq ue 12 de l 'appareil 2. Il faut noter q ue dans le cas d 'un appareil portable alimenté su r batterie, en l'absence de liaison galvaniq ue ou de couplage sig nificatif avec la terre, ce potentiel de référence 13 est flottant par rapport à la terre.
L'appareil 2 comprend également des secondes électrodes 7 réparties
(par exemple selon une d isposition matricielle) sur une seconde surface 14 opposée à la surface su pportant l 'écran 4. Ces secondes électrodes 7 peuvent être des électrodes transparentes superposées à u n second écran d 'affichage, ou des électrodes équipant simplement le boîtier de l 'appareil 2.
Ces secondes électrodes 7 et leur électronique associée permettent de détecter la position, la d istance 3 et/ou le contact d 'objets dans leur environnement.
L'appareil 2 comprend en outre une seconde surface conductrice de garde 8 situé derrière les secondes électrodes 7 de l 'écran, entre ces électrodes 7 et les autres éléments de l'appareil 2. Cette seconde garde 8 est polarisée au même potentiel électrique d 'excitation q ue les secondes électrodes 7, de telle sorte à éviter les couplages capacitifs parasites entre les secondes électrodes 7 et des éléments internes de l'appareil 2, tels q ue l'électroniq ue 12.
L'appareil 2 peut comprendre en outre des troisièmes électrodes 10, 11 sur les faces latérales.
Lorsq ue l 'écran 4 est utilisé (par exemple), la seconde face 14 et les faces latérales sont des lieux privilégiés pour tenir l 'appareil 2 dans la main, ou le poser sur la paume de la main, ou encore le poser sur une table ou sur le sol . Les dispositifs de l'art antérieur qui comprennent uniquement des premières électrodes 5 sont conçus de telle sorte que lorsqu'ils sont tenus ou posés, la masse générale de l'électronique 12 est couplée (par contact électrique ou par couplage capacitif) au corps de l'utilisateur et/ou au support. Dans ces conditions il est possible de faire en sorte que le potentiel de référence 13 corresponde sensiblement au potentiel du corps de l'utilisateur et/ou à la terre. Un doigt ou un objet conducteur tenu par l'utilisateur constitue alors un objet de commande 1 sensiblement au potentiel de référence 13 et peut donc être détecté dans les meilleures conditions par les premières électrodes 5.
Lorsque un appareil 2 tel qu'illustré à la Fig. 1 est posé sur un support 9 tel qu'une main ou une table du côté par exemple des secondes électrodes 7, il s'établit un couplage capacitif fort entre le support 9 et ces électrodes 7. Il s'ensuit que, par rapport au potentiel de référence interne 13 de l'appareil 2, le support 9 apparaît comme polarisé au potentiel d'excitation des secondes électrodes 7. Selon le même raisonnement que précédemment, l'objet de commande 1 est « vu » par rapport au potentiel de référence interne 13 de l'appareil 2 comme étant polarisé sensiblement au même potentiel que le support 9, c'est-à-dire au potentiel d'excitation des secondes électrodes 7. Et si le potentiel d'excitation est identique pour toutes les électrodes comme dans les dispositifs de l'art antérieur, l'objet de commande 1 ne génère plus de couplage capacitif avec les électrodes et ne peut donc plus être détecté (ou du moins seulement avec des performances très dégradées).
La solution mise en œuvre par l'invention, qui est détaillée plus loin, comprend la génération de potentiels d'excitation différents et sensiblement orthogonaux au sens mathématique pour les premières électrodes 5 et les secondes électrodes 7.
En ce qui concerne les troisièmes électrodes 10, 11 sur les faces latérales, différentes options sont possibles, notamment lorsque l'appareil 2 est un smartphone ou une tablette. Selon une section ou une vue en coupe :
- l'appareil 2 peut comprendre des troisièmes électrodes 10, 11 distinctes, respectivement vers les premières et secondes faces 4, 14, tel qu'illustré à la Fig. 1. Dans ce cas une des troisièmes électrodes 10 peut être au potentiel d'excitation des premières électrodes 5, et une des troisièmes électrodes 11 peut être au potentiel d'excitation des secondes électrodes 7 ; - l'appareil 2 peut ne comprendre qu'une troisième électrode 10 ou 11 qui couvre au moins une partie de la face latérale. Dans ce cas, cette troisième électrode peut être au potentiel d'excitation des premières électrodes 5 ou au potentiel d'excitation des secondes électrodes 7. Elle peut éventuellement être commutée d'un potentiel d'excitation à l'autre en fonction d'informations issues des mesures des premières et/ou des secondes électrodes. La troisième électrode 10 ou 11 peut également être à un potentiel d'excitation différent de celui des premières et des secondes électrodes.
Le long des faces latérales, les troisièmes électrodes peuvent constituer un anneau entourant l'appareil 2, ou comprendre plusieurs électrodes réparties sur ces faces latérales.
On va maintenant décrire, en référence à la Fig. 2, un second mode de mise en œuvre de l'invention.
Ce mode correspond par exemple à la mise en œuvre de l'invention dans des modules 21, 22 mobiles l'un par rapport à l'autre et par rapport à leur environnement. Ce type de configuration peut se trouver par exemple en robotique ou dans les appareils d'imagerie médicale comportant des parties mobiles, tels que les scanners.
Par exemple, en robotique pour imagerie médicale, il peut être nécessaire de mettre en œuvre plusieurs modules 21, 22 ou plusieurs robots 21, 22 qui fonctionnent près du même patient. Chaque module 21, 22 possède au moins une zone de détection capacitive 23, 24 avec des électrodes 5, 7 pour éviter les collisions et/ou rendre autonome son déplacement sans collision. Il est en outre nécessaire que la zone de détection capacitive 23 d'un module 21 puisse reconnaître la zone de détection 24 d'un autre module 22 comme objet cible pour éviter tout risque de collision entre ces modules.
Or, de nouveau, si les électrodes capacitives des zones de détection 23, 24 respectives des modules 21, 22 sont soumises au même potentiel d'excitation comme dans les systèmes de l'art antérieur, il n'y a pas de couplage capacitif entre elles et elles ne peuvent pas se détecter mutuellement.
La solution mise en œuvre par l'invention, qui est détaillée plus loin, comprend la génération de potentiels d'excitation différents et sensiblement orthogonaux au sens mathématique pour les électrodes des zones de détection des différents modules 21, 22. Les mesures des différents modules 21, 22 sont gérées par un même dispositif de mesure capacitif 25.
Bien entendu, les modules 21, 22 de la Fig. 2 peuvent également être pourvus de plusieurs zones de détection ou d'électrodes sur plusieurs faces, tel que présenté à la Fig. 1. Dans ce cas les zones de détection peuvent être gérées comme expliqué plus loin de telle sorte à ne pas se perturber mutuellement entre zones d'un même module et/ou de modules différents.
En référence à la Fig. 3, on va maintenant décrire un schéma de principe de montage électronique 12 pour la mise en œuvre de l'invention.
Le schéma présenté est basé sur l'enseignement du document FR 2756048 auquel on peut se référer pour les détails de mise en œuvre.
Le schéma présenté comprend une pluralité de voies de mesures en parallèle. La Fig. 3 présente un exemple avec deux voies de mesure.
Chaque voie de mesure permet le contrôle et l'acquisition de mesures sur une ou une pluralité d'électrodes, ainsi que la génération d'un potentiel d'excitation distinct pour ces électrodes.
Bien entendu, le schéma de la Fig. 3 peut être généralisé de telle sorte à :
- mettre en œuvre un nombre quelconque de voies de mesures en parallèle ;
- mettre en œuvre un nombre quelconque de potentiels d'excitation distincts, pour différentes voies de mesures ;
- mettre en œuvre des voies de mesure en parallèle avec le même potentiel d'excitation, de telle sorte à permettre l'acquisition de plusieurs mesures simultanément sur des électrodes polarisées au même potentiel d'excitation.
On va maintenant décrire en détail le schéma pour la première voie de mesure, avec entre parenthèse les références numériques correspondant à la deuxième voie de mesure.
L'électronique de détection 12 comprend une partie 32 (33), dite « flottante », référencée au potentiel d'excitation 42 (43), et qui comprend les premiers étages de mesure au plus près des électrodes. Le potentiel d'excitation 42 (43) est généré par une source de tension 30 (31) variable dans le temps référencée au potentiel de référence 13 de l'électronique 12. L'électronique flottante 32 (33) comprend pour l'essentiel un amplificateur de charge 34 (35) référencé au potentiel d'excitation 42 (43). Cet amplificateur de charge 34 (35) est relié en entrée à une électrode de mesures 5 (7). Il permet de générer une tension proportionnelle à la charge accumulée dans l'électrode 5 (7), qui dépend de la capacité de couplage engendrée par les objets 1 (9) dans le voisinage de l'électrode 5 (7).
L'électronique flottante 32 (33) comprend également un multiplexeur 44 (45) ou un scrutateur qui permet « d'interroger » séquentiellement une pluralité d'électrodes 5 (7) avec une seule voie de mesure. Ce multiplexeur 44 (45) est conçu de telle sorte à relier les électrodes 5 (7) :
- soit à l'entrée de l'amplificateur de charge 34 (35) pour acquérir des mesures,
- soit au potentiel de référence 42 (43), auquel cas les électrodes correspondantes se comportent comme des électrodes de garde 6 (8), ce qui permet d'éviter l'apparition de capacités parasites avec des électrodes actives reliées à l'entrée de l'amplificateur de charge 34 (35).
Le signal de sortie de l'amplificateur de charge 34 (35) est référencé au potentiel d'excitation 42 (43). Il est transformé par un amplificateur différentiel 36 (37) en un signal référencé au potentiel de référence 13. Bien entendu, l'amplificateur différentiel 36 (37) peut être remplacé par tous autres composants permettant de transférer un signal entre des étages électroniques avec des potentiels de référence différents.
Le signal de mesure est ensuite démodulé par un démodulateur 38 (39) pour produire une mesure 40 (41) représentative de la distance ou du couplage des électrodes 5 (7) avec le ou les objets 1 (9). En pratique, le démodulateur 38 (39) est numérique.
Ce principe de détection permet des mesures avec une très grande sensibilité et une très grande précision car tous les éléments électroniques proches des électrodes 5 (7) sont référencés et/ou polarisés au potentiel d'excitation 42 (43). Du fait de la structure de l'amplificateur de charge 34 (35), les électrodes 5 (7) sont également polarisées au potentiel d'excitation 42 (43). Ainsi il ne peut pas apparaître de capacités parasites. En outre, des éléments de garde polarisés au potentiel d'excitation 42 (43), dont des électrodes de garde 6 (8), peuvent être ajoutées au voisinage des électrodes de mesure 5 (7) ou de leurs pistes de connexion pour éviter l'apparition de capacités parasites avec des éléments à proximité soumis à un autre potentiel .
L'électroniq ue de la Fig . 3 peut être implémentée dans le d ispositif de la Fig . 1 de tel le sorte que, par exemple,
- toutes les électrodes d 'une face 4, 14 sont contrôlées par une même voie de mesure électronique. Ainsi selon les configurations représentées, la première voie de mesure contrôle toutes les premières électrodes 5 de la première face 6, et la seconde voie de mesure contrôle toutes les secondes électrodes 7 de la seconde face 14 ;
- les électrodes d 'une face 4, 14 sont réparties en zones et contrôlées respectivement par plusieurs voies de mesure électroniques. Cela peut permettre d 'amél iorer la précision et l 'indépendance des mesures dans d ifférentes zones ;
- les électrodes latérales 10, 11 sont contrôlées respectivement par une première et une seconde voie de mesure ;
- les électrodes latérales 10, 11 sont reliées au choix à une première voie de mesure ou à une seconde voie de mesure par des moyens de commutation . La commutation peut être effectuée en fonction d 'informations issues d'autres électrodes ;
- les électrodes latérales 10, 1 1 sont contrôlées par une troisième voie de mesure électronique ;
De même, l'électroniq ue de la Fig . 3 peut être implémentée dans le d ispositif de la Fig . 2 de tel le sorte q ue, par exemple, toutes les électrodes d 'un module 21 , 22 sont contrôlées pa r une même voie de mesu re électronique. Ainsi selon les configurations représentées, la première voie de mesure contrôle toutes les premières électrodes 5 d u premier module 21 , et la seconde voie de mesure contrôle toutes les secondes électrodes 7 d u second module 22.
Comme expliq ué précédemment, un objet de l'invention est d 'apporter un procédé q ui permette de gérer une multiplicité de zones de détection dont certaines peuvent être en fort couplage avec l'utilisateur ou la cible.
Suivant une première variante de mise en œuvre de l'invention, on commute au potentiel de référence 13 l'ensemble des électrodes d 'une ou de plusieurs zones de détection lorsq ue l 'on acquiert des mesures avec des électrodes d 'une autre zone de détection . Ainsi, il est possible d 'éviter q ue les zones de détection se perturbent mutuel lement, soit par couplage d irect comme dans le cas de la Fig . 2, soit par l 'interméd iaire d 'un couplage avec un objet de commande comme dans le cas de la Fig . 1.
Plus précisément, en se référant au schéma de la Fig . 2, cela peut être effectué avantageusement en commutant au potentiel de référence 13 u n potentiel d 'excitation 43 par exemple. En pratiq ue cela peut être effectué notamment en transformant la source de tension 31 en court-circuit, ce q ui revient à l'éteindre ou à générer une tension nulle . Ainsi, tous les éléments référencés à ce potentiel d 'excitation 43 sont ramenés au potentiel de référence 13, y compris les éléments de garde 8.
Cette première variante de l'invention peut être mise en œuvre dans le mode de réalisation de la Fig . 1 de la manière su ivante :
- on commute au potentiel de référence 13 le potentiel d 'excitation 43 des secondes électrodes 7, de tel le sorte à mettre à ce potentiel de référence 13 les secondes électrodes 7 de la seconde face 14 ;
- on effectue des mesures avec les premières électrodes 5. Ainsi, même si les secondes électrodes 7 sont en couplage fort avec la main de l 'util isateur 9 q ui tient le téléphone par sa seconde face 14 (par exemple), on peut détecter un doigt 1 avec les premières électrodes 5 dans les meilleu res cond itions pu isq ue l 'utilisateur est « vu » par ces électrodes comme étant au potentiel de référence 13 ;
- ensuite, de la même manière, on commute au potentiel de référence 13 le potentiel d 'excitation 42 des premières électrodes 5 de telle sorte à mettre à ce potentiel de référence 13 les premières électrodes 5 de la première face 4, pu is on effectue des mesures avec les secondes électrodes 7.
Ainsi, le d ispositif peut être tenu et util isé selon ses deux faces, éventuel lement de la même manière.
La première variante de l'invention peut être également mise en œuvre dans le mode de réal isation de la Fig . 2 de la manière suivante :
- on commute au potentiel de référence 13 le potentiel d 'excitation 43 des secondes électrodes, de tel le sorte à mettre à ce potentiel de référence 13 les secondes électrodes 7 du second module 22 ;
- on effectue des mesures avec les premières électrodes 5 d u premier module 21. Ainsi, ces premières électrodes 5 sont sensibles de la même manière à la présence du second module 22, y compris selon la zone de détection 24, qu'au reste de l'environnement ;
- ensuite, de la même manière, on commute au potentiel de référence 13 le potentiel d'excitation 42 des premières électrodes 5 de telle sorte à mettre à ce potentiel de référence 13 les premières électrodes 5 du premier module 21, puis on effectue des mesures avec les secondes électrodes 7 du second module 22.
Bien entendu, toutes les stratégies de multiplexage temporel et de scrutation des différentes zones de détection peuvent êtres mises en œuvre dans le cadre de l'invention.
Cette première variante de l'invention présente toutefois l'inconvénient que les électrodes des différentes zones de détection doivent être activées et interrogées séquentiellement.
On va maintenant présenter une seconde variante, correspondant à un mode de mise en œuvre préférentiel de l'invention, qui permet d'effectuer des mesures simultanément dans plusieurs zones de détection tout en minimisant les risques d'interférences entre ces zones.
En référence à la Fig. 4, on appelle Vel(l) le signal de couplage (numérique) obtenu à la sortie 40 du démodulateur 38 de la première voie de l'électronique de détection, et qui fournit une mesure représentative du couplage capacitif ou de la distance entre une première électrode de mesure 5 et un objet d'intérêt 1.
Plus généralement, on appelle Vei(l) le signal de couplage issu de la voie i (i = l, 2, ...) de l'électronique de détection.
Le signal de couplage vei(l) est actualisé avec une période temporelle supérieure ou égale à la durée d'accumulation τε des mesures dans le démodulateur 38 comme on le verra plus loin. Il peut correspondre par exemple :
- à une suite de mesures acquises avec la même première électrode 5, OU
- à des mesures successives acquises avec différentes premières électrodes 5 polarisées au même potentiel de référence 42, et commutées par le multiplexeur 44. On appelle Usl(t) le signal de mesure de charge analogique, référencé au potentiel référence 13, qui apparaît à la sortie de l'amplificateur différentiel 36.
Plus généralement, on appelle Usi (t) le signal de mesure de charge de la voie i (i = l, 2, ...) de l'électronique de détection .
Ce signal de mesure de charge Usi (t) correspond au produit de la charge électrique Qei (t) accumulée dans l'électrode de mesure (soit l'électrode 5 pour la voie i = 1) avec un gain Gei de l'amplification de charge, soit,
USi (t) = Gei Qei(t), (Eq . 1) ou, sous une forme numérique échantillonnée avec une période temporelle TS ,
Usi {k) = Gei Qei {k), (Eq . 2)
Le signal de mesure de charge est démodulé dans le démodulateur 38 (pour la voie 1) pour obtenir le signal de couplage Vei (l) . Cette démodulation est une démodulation d'amplitude synchrone (transposition en bande de base et filtrage passe-bas) dans laquelle on utilise comme oscillateur local 30, 31 le signal d'excitation de la voie concernée. Elle est effectuée numériquement. Elle comprend une multiplication terme-à-terme du signal de mesure de charge Usi (k) avec le signal d'excitation de la voie i correspondante et une sommation des termes du produit sur une durée temporelle d'accumulation τε , soit,
Vei( =∑£ô1 y«(fc) ½(fc) (Eq - 3)
Avec k = 0 ... Ns - 1 et Ns = τε/τ∑.
Le signal d'excitation peut être écrit sous la forme générale d'un produit d'un terme d'amplitude et d'une fonction de base bi (k qui définit sa forme temporelle, soit :
Vi (k) = \Vi \ bi (k) . (Eq . 4)
Comme expliqué précédemment, la présence d'éléments polarisés à des potentiels différents du potentiel de référence 13 peut perturber les mesures. Ces perturbations peuvent être modélisées par des capacités équivalentes, essentiellement en parallèle, reliant une électrode de mesure aux différentes sources de tension de perturbation .
Par exemple, dans le cas de la Fig . 3, en prenant en compte une source de perturbation électrique additionnelle Vp, la charge mesurée sur une première électrode 5 polarisée à un premier potentiel d'excitation Vt(t) en présence d'un objet d'intérêt 1 peut s'exprimer de la manière suivante :
Qeiit) = C V^t) + C12 V2{t)+Clp p(t) . (Eq . 5)
La capacité Clt est la capacité à mesurer entre l'électrode 5 et l'objet d'intérêt 1 supposé au potentiel de référence 13. La capacité C12 est une capacité parasite due par exemple à un couplage partiel entre l'objet d'intérêt 1 et des secondes électrodes 7 (et des électrodes de garde 8) polarisées au second potentiel d'excitation v2(t). De même, la capacité clp est une capacité parasite due à des couplages avec la source de perturbation électrique additionnelle ^.
La source de perturbation électrique additionnelle Vp peut être due par exemple à une connexion d'un appareil portable à un chargeur.
Il peut également s'agir d'une source de tension présente au niveau de l'objet d'intérêt 1, par exemple :
- due à une perturbation liée à son fonctionnement ;
- volontairement générée pour son fonctionnement, dans le cas par exemple où l'objet d'intérêt 1 est un stylet actif polarisé à son propre potentiel d'excitation . Ce potentiel d'excitation du stylet peut alors être choisi de telle sorte à contribuer à la mesure ou à améliorer la mesure avec au moins l'une des voies de mesure, ou avec plusieurs voies de mesure séquentiellement. Dans ce cas, il peut être par exemple synchrone avec le potentiel d'excitation des électrodes d'au moins une voie de mesure.
La charge mesurée peut être réécrite sous une forme numérique factorisée, soit
Qel k) = Cel [alt V^k) + a12 V2 k)+alp Vp k)] . (Eq . 6)
En combinant les Eq . 6 et Eq . 3, on obtient l'expression du signal de couplage :
Vel( = Gei Qi
Figure imgf000018_0001
. (Eq . 7)
Cette expression peut se réécrire sous la forme :
Vei( = Gei Cei { ail∑k Vi (fc) V1 (fc)
+a12∑Mk) V2{k)
+aip∑Mk) Vp(k) }. (Eq . 8)
En introduisant l'Eq . 4 dans l'Eq . 8, on obtient finalement l'expression du signal de couplage :
Figure imgf000019_0001
+a12 \Vt\ \ν2 \∑Μ b2{k)
+aip∑Mk) Vp(k) }. (Eq . 9)
Cette expression peut se généraliser pour un nombre i quelconque de potentiel d'excitation ½ sous la forme :
Vei( = Gei Cei {au \Vi \2∑k bi 2{k)
+∑j ≠i(cxij \Vi \
Figure imgf000019_0002
\∑k bi(k) bj(k))
+aip∑k Vi(.k) Vp(.k)}. (Eq . 10)
Le premier terme de l'expression générale du signal de couplage Vei (Q, qui ne dépend que du potentiel d'excitation i, correspond à la valeur que l'on souhaite mesurer.
Les autres termes, qui dépendent d'autres potentiels d'excitation ; ou de signaux de perturbation additionnels ^ sont des termes parasites dont il faut minimiser l'influence.
Pour simplifier les notations, on peut définir le produit scalaire sur l'espace vectoriel de dimension Ns des fonctions de base bt tel que :
bi - bj =∑N kL0 1 bi(k) bj(k) . (Eq . 11)
La norme d'une fonction bt est alors :
Figure imgf000019_0003
On voit donc que pour minimiser l'influence des perturbations dans l'expression générale du signal de couplage Vei il faut choisir des signaux d'excitation ½ tels que le produit scalaire de deux fonctions de base bi r bj différentes (par exemple correspondant à des voies de mesures différentes) soit négligeable ou au moins très inférieur à la norme de la fonction de base bt du signal d'excitation ½ de l'électrode considérée :
» W (Eq . 13)
Bien entendu, si on veut effectuer simultanément des mesures avec les électrodes polarisées au potentiel d'excitation vjr il faut aussi satisfaire la condition symétrique :
Figure imgf000019_0004
Le même raisonnement peut être appliqué vis-à-vis d'un signal de perturbation Vp dans la mesure où ce signal peut être suffisamment connu (soit théoriquement soit grâce à des mesures). Son influence sur les mesures peut être minimisée si on peut choisir un signal d'excitation ½ tel que son produit scalaire avec le signal de perturbation Vp soit négligeable ou au moins très inférieur à la norme du signal d'excitation
Toutes les fonctions de base qui permettent de satisfaire ou au moins d'approximer ces critères peuvent être utilisées dans le cadre de l'invention .
De façon à assurer une bonne indépendance du signal détecté par chaque voie de mesure i par rapport aux autres termes, on peut choisir des fonctions de base de telle sorte à obtenir par exemple un ratio en décibels
Figure imgf000020_0001
de l'ordre de -20 d B ou moins, ou de l'ordre de -30 d B, ou -40 d B, ou moins. Ainsi, la perturbation sur l'amplitude du signal de couplage due aux sources parasites ne dépassera pas cette valeur de décibel .
Les fonctions de base peuvent être des fonctions discrètes qui peuvent prendre deux valeurs, telles que + 1 et - 1.
Les fonctions de base peuvent également être des fonctions discrètes qui peuvent prendre un jeu de valeurs discrètes plus complet tel que :
+ 1 ; l/racine(2) ; 0 ; - l/racine(2) ; - 1.
Cela permet de mieux contrôler le spectre d'énergie générée vers les hautes fréquences, en choisissant des valeurs adjacentes pour des indices k successifs. Cela permet aussi de générer des fonctions qui se rapprochent de sinusoïdes pures.
Voici, à titre d'exemples non limitatifs, des critères qui peuvent être utilisés pour générer des fonctions de base :
- les fonctions de base peuvent être choisies de telle sorte à générer un motif de signal carré périodique, ou proche d'une sinusoïde. Chaque fonction de base peut alors être essentiellement représentée par une fréquence fi ;
- on peut alors choisir d'éloigner les fréquences les unes des autres, ou de les choisir convenablement pour obtenir l'orthogonalité entre fonctions de base bi différentes;
- pour générer deux potentiels d'excitation, on peut générer des signaux avec des fréquences fl f f2 identiques, mais avec un décalage de phase de 90 degrés. On a alors des signaux en quadrature de phase.
- les fonctions de base peuvent être choisies de telle sorte à minimiser les pics d'énergie, ou lisser le spectre. On peut avoir une stratégie de dispersion de fréquence, qui peut permettre de minimiser l'énergie rayonnée à certaines fréquences par le dispositif ;
- les fonctions de base bt peuvent être choisies de telle sorte à minimiser l'énergie aux basses fréquences où le bruit en 1/f pénalise le système, et/ou pour éviter l'énergie aux hautes fréquences pour des raisons de compatibilité électromagnétique ou de consommation ;
- pour chacune des stratégies ci-dessus, le choix peut être orienté en plus pour minimiser le terme de produit scalaire avec une perturbation parasite Vp subie, de telle sorte à en minimiser l'influence.
Au niveau de l'implémentation dans un dispositif,
- les fonctions de base bt peuvent être pré-calculées et enregistrées dans le dispositif qui en dispose en temps réel sans calcul supplémentaire ;
- plusieurs jeux de fonctions peuvent être disponibles à l'avance. Le choix entre ces bases peut alors être effectué selon des critères tels que la minimisation d'effets de signaux de perturbation Vp ;
- on peut commuter entre les différents jeux de fonctions de base entre des acquisitions successives du signal de couplage vei (l), donc entre des périodes τε si nécessaire. Dans le schéma de la Fig . 2, cela revient à changer les formes de signaux générées par les sources d'excitation 30, 31 au cours du temps, ou commuter différentes sources d'excitation 30, 31. L'ensemble du dispositif peut ainsi être reconfiguré dynamiquement en fonction de son environnement.
Il est à noter que la variante de mode de réalisation dans laquelle des électrodes sont polarisées au potentiel de référence 13 est conforme au critère de génération de potentiels de polarisation qui minimisent le produit scalaire des termes croisés. En effet si bt est la fonction de base du potentiel de polarisation des électrodes utilisées pour la mesure et bj la fonction de base des électrodes au potentiel de référence, on a bj = 0, bt - bj = 0 et donc \bi \ » bi ■ bj conformément à l'Eq . 13.
Bien entendu, on n'effectue pas dans ce cas de mesures simultanées avec les électrodes polarisées au potentiel de référence 13, et donc il n'est pas nécessaire de satisfaire la condition symétrique de l'Eq . 14.
A titre d'exemple d'application, on peut mettre en œuvre l'invention dans les conditions suivantes : τ∑= 5 ps
τε= 8 ms
Ns= 1600
On peut en outre générer notamment les familles de potentiels d'excitation suivantes, avec k = 0...Ns - 1 :
- avec deux fréquences différentes et orthogonales :
b^k) = +1 ; +1 ; -1 ; -1 ; +1 ; +1 ; -1 ; -1 ; ... répété 199 fois ;
b2(k) = +1 ; +1 ; +1 ; +1 ; -1 ; -1 ; -1 ; -1 ; ... répété 199 fois.
- avec deux fréquences identiques et des signaux en quadrature :
b^k) = +1 ; +1 ; -1 ; -1 ; +1 ; +1 ; -1 ; -1 ; ... répété 199 fois ; b2(k) = - 1 ; +1 ; +1 ; -1 ; -1 ; +1 ; +1 ; -1 ; ... répété 199 fois.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de détection capacitif, mettant en œuvre une pluralité d'électrodes (5, 7) aptes à permettre la détection d'objets ( 1, 21, 22) dans leur voisinage par couplage capacitif, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de polarisation de manière simultanée d'au moins une partie desdites électrodes (5, 7) avec des potentiels d'excitation différents (42, 43), lesquels potentiels d'excitation (42, 43) étant générés par rapport à un potentiel de référence ( 13) de telle sorte que le produit scalaire sur une durée prédéterminée d'au moins deux de ces potentiels d'excitation (42, 43) soit nul ou très inférieur au produit scalaire de l'un et/ou de l'autre de ces potentiel d'excitation (42, 43) avec lui-même sur ladite durée prédéterminée.
2. Le procédé de la revendication 1, dans lequel les potentiels d'excitation générés (42, 43) comprennent au moins un potentiel d'excitation variable dans le temps.
3. Le procédé de l'une des revendications précédentes, dans lequel les potentiels d'excitation générés (42, 43) comprennent des potentiels d'excitation périodiques de fréquences différentes.
4. Le procédé de l'une des revendications précédentes, dans lequel les potentiels d'excitation générés (42, 43) comprennent au moins un potentiel d'excitation dont le contenu fréquentiel est dispersé sur une bande spectrale.
5. Le procédé de l'une des revendications précédentes, dans lequel les potentiels d'excitation générés (42, 43) comprennent deux potentiels d'excitation périodiques de même fréquence en quadrature de phase.
6. Le procédé de l'une des revendications précédentes, dans lequel les potentiels d'excitation générés (42, 43) comprennent au moins un potentiel d'excitation dont le produit scalaire avec un signal de perturbation est minimisé.
7. Le procédé de l'une des revendications précédentes, dans lequel les potentiels d'excitation générés (42, 43) comprennent au moins un potentiel d'excitation sensiblement égal au potentiel de référence.
8. Le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, qui comprend en outre une étape de mesure du couplage capacitif d'une électrode (5, 7), comprenant :
- une acquisition de mesures représentatives de la charge électrique de l'électrode, et
- une démodulation desdites mesures représentatives de la charge en utilisant le potentiel d'excitation (42, 43) de ladite électrode (5, 7).
9. Dispositif de détection capacitif, comprenant une pluralité d'électrodes (5, 7) aptes à permettre la détection d'objets (1, 21, 22) dans leur voisinage par couplage capacitif, caractérisé en ce que qu'il comprend en outre des moyens d'excitation (30, 31) aptes à polariser de manière simultanée au moins une partie desdites électrodes (5, 7) avec des potentiels d'excitation différents (42, 43), lesquels potentiels d'excitation (42, 43) étant générés par rapport à un potentiel de référence (13) de telle sorte que le produit scalaire sur une durée prédéterminée d'au moins deux de ces potentiels d'excitation (42, 43) soit nul ou très inférieur au produit scalaire de l'un et/ou de l'autre de ces potentiel d'excitation (42, 43) avec lui-même sur ladite durée prédéterminée.
10. Le dispositif de la revendication 9, qui comprend en outre des moyens de mesure (34, 35, 36, 37) référencés au même potentiel d'excitation (42, 43) que les électrodes (5, 7) auxquelles ils sont reliés.
11. Le dispositif de la revendication 10, qui comprend en outre des moyens de démodulation (38, 39) reliés aux moyens de mesure (34, 35, 36,
37), et aptes à produire une mesure représentative du couplage capacitif référencée au potentiel de référence (13).
12. Le dispositif de l'une des revendications 9 à 11, qui comprend en outre des moyens permettant de polariser au moins une électrode : - à plusieurs potentiels d'excitation différents (42, 43), et/ou
- à au moins un potentiel d'excitation (42, 43) ou au potentiel de référence ( 13) .
13. Appareil comprenant un dispositif de détection capacitif selon l'une des revendications 9 à 12, et mettant en œuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.
14. L'appareil de la revendication 13, qui comprend selon une première face (4) un écran d'affichage et des premières électrodes (5) sensiblement transparentes polarisées à un premier potentiel d'excitation (42), et selon une seconde face ( 14) opposée à la première face des secondes électrodes (7) polarisées à un second potentiel d'excitation (43) .
15. L'appareil de la revendication 14, qui est de l'un des types suivants : smartphone, tablette.
16. L'appareil de la revendication 13, qui comprend une pluralité de modules (21, 22) aptes à se déplacer l'un par rapport à l'autre, chaque module comprenant des électrodes (5, 7) polarisées à un potentiel d'excitation (42, 43) différent des autres modules (21, 22) .
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