Titre : Dispositif pour la création de sensations haptiques sur une surface à l'aide d'ondes ultrasonores produisant des mouvements elliptiques

DOMAINE DE L'INVENTION

L'invention concerne les surfaces capables de générer un retour haptique perceptible par un utilisateur, à l'aide d'ondes élastiques se propageant dans la surface dans le domaine des fréquences ultrasonores.

ETAT DE LA TECHNIQUE

On connaît un nombre croissant d'interfaces tactiles présentant un effet de retour haptique perceptible par un utilisateur. Elles utilisent généralement un actionneur électromécanique couplé à une surface, à laquelle elles impriment des vibrations perceptibles par un doigt ou un stylet de l'utilisateur. Elles se distinguent selon plusieurs paramètres, comme la fréquence du signal électrique alimentant les actionneurs, ou encore son amplitude.

Ainsi, on distingue notamment les interfaces à retour vibro-tactile basse fréquence, et les interfaces à retour haptique par effet dit de « squeeze film » ou de lubrification ultrasonique.

Dans les interfaces à retour vibro-tactile basse-fréquence, un actionneur vibrant produit une déformation mécanique macroscopique (de l'ordre du millimètre) de la pulpe du doigt, à la fréquence du stimulus de l'actionneur. La fréquence du stimulus choisie doit être dans la gamme des fréquences perceptibles par le toucher (typiquement de 1 à 1000 Hz, le plus souvent de 50Hz à 250Hz), et les amplitudes vibratoires doivent être supérieures aux seuils de perception d'un doigt à ces fréquences. Pour générer un tel effet vibro-tactile, on peut utiliser un actionneur unique présentant une partie mobile se déplaçant à la fréquence du stimulus, dans une direction normale ou parallèle à la surface actionnée. Mais ces actionneurs sont en général épais, et nécessitent un guidage de la partie mobile par des pièces élastiques, comme décrit par exemple dans le document FR3068840-A1. Un exemple d'utilisation d'actionneurs vibrotactiles est décrit dans le document W02019094440A1, dans l'application notamment à des manettes de jeu ou équivalent. Les actionneurs utilisés sont des actionneurs basse fréquence notamment de type LRA (« Linear Résonant Actuator » ou ERM (« Eccentic Rotating Masses ») choisis pour leur faible coût en comparaison avec des actionneurs de type piézoélectrique, qui sont expressément écartés par ce document pour les applications visées. En outre, les actionneurs LRA ou ERM sont aussi retenus pour leur capacité à produire localement, c'est-à-dire directement au-dessus des actionneurs, une force elliptique communiquée localement à la surface de contact. Or ce mouvement elliptique est produit uniquement au point de contact et n'est donc perceptible par l'utilisateur qu'au-dessus de l'actionneur, directement au point de contact. Il en résulte que ce type d'actionneur basse fréquence de type LRA ou ERM n'est pas adapté à la production d'une onde progressive de fréquence ultrasonore, capable de créer un effet de retour haptique en divers points d'une interface haptique, même distants des actionneurs.

En règle générale, les actionneurs vibro-tactiles produisent des déplacements dans l'axe du doigt, sensiblement normal par rapport à la surface, c'est-à-dire hors plan, dans une gamme de fréquences directement perçues par les mécanorécepteurs du doigt de l'utilisateur.

Les interfaces à retour vibro-tactile basse fréquence peuvent avoir un retour haptique présentant une amplitude bien perceptible pour un doigt posé de façon passive sur une surface, sans se déplacer. Le doigt peut alors percevoir un effet de « clic », ou de vibration uniforme. En revanche, ce type d'interface n'est pas adapté pour la génération d'un effet de texture perceptible par un toucher actif, comme un doigt en mouvement de balayage sur une surface.

En outre, compte tenu de la fréquence de fonctionnement audible utilisée par les actionneurs, les interfaces à retour vibro-tactile basse-fréquence produisent du bruit, puisque les déplacements générés le sont à une fréquence audible.

Cet inconvénient est résolu de façon connue dans les dispositifs à retour haptique utilisant une excitation à une fréquence ultrasonique, donc non audible, utilisant l'effet dit de lubrification ultrasonique. Un tel dispositif est notamment décrit dans le document EP1956466-A1. Le milieu de propagation des vibrations est alors une plaque mince purement élastique ou faiblement viscoélastique. Une plaque est dite « mince » lorsqu'elle possède une épaisseur petite devant les deux autres dimensions et devant la longueur d'onde des ondes élastiques considérées.

De façon connue, la plaque peut être monolithique ou multicouche et de forme rectangulaire. Des actionneurs électromécaniques sont disposés sur la plaque de manière à exciter un mode vibratoire axial, c'est-à-dire dont les nœuds de vibration sont alignés les uns par rapport aux autres selon une ligne parallèle à l'une des arêtes de la plaque.

Dans une plaque dont l'épaisseur n'excède pas deux fois la longueur d'onde de la vibration générée par les actionneurs, des ondes de Lamb AO (ou des ondes de Lamb généralisées dans le cas d'une plaque multicouche dissymétrique dans l'épaisseur), communément appelées ondes de flexion dans l'approximation basse fréquence, sont générées et se réfléchissent sur les deux frontières parallèles à la ligne d'alignement des actionneurs.

Lorsque la fréquence d'actionnement est correctement ajustée, un mode stationnaire est excité qui va jouer le rôle d'amplificateur par effet de résonance. Les grandes amplitudes de déplacement ainsi obtenues à des fréquences ultrasoniques entraînent la création d'un coussin d'air comprimé sous la pulpe du doigt d'un utilisateur. Le doigt étant repoussé par la surface, le coefficient de friction est diminué et un effet de retour haptique peut ainsi être obtenu lorsque le doigt est en mouvement. Il s'agit de l'effet dit de lubrification ultrasonique.

En comparaison avec les interfaces vibro-tactiles basse-fréquence mentionnées plus haut, ce second type d'interface à retour haptique a l'avantage d'être inaudible. En revanche, dans l'état actuel de la technique, il est limité à la création de textures virtuelles ressenties par l'utilisateur dans le cadre d'un toucher actif d'un doigt qui se déplace sur la surface. Par contre, lorsque le doigt ou le stylet est immobile, aucun retour haptique n'est perceptible dans des conditions normales d'utilisation.

BUT DE L'INVENTION

La présente invention a pour but général de proposer une interface à retour haptique apte à pallier les inconvénients précités des interfaces connues rappelées plus haut. Un but particulier de l'invention est de proposer une interface à retour haptique capable de produire, avec une même structure matérielle, plusieurs effets haptiques qui jusqu'à présent nécessitaient des structures différentes et incompatibles.

Ainsi, l'interface unique visée doit pouvoir générer aussi bien des effets de textures artificielles basées sur le contrôle en temps réel du coefficient de friction et perçues lors de l'exploration d'une surface (constituant un toucher actif), que des effets de vibrations basses fréquences capables d'exciter les mécanorécepteurs situés sous la peau directement dans leur bande passante (1 Hz à 1000 Hz).

En particulier, l'interface visée doit pouvoir générer un effet de texture virtuelle en réponse à un doigt qui se déplace sur une surface, ou un effet de guidage du doigt selon une trajectoire, ce qui suppose la création d'une force tangentielle motrice (par exemple pour ressentir le contour d'une lettre ou d'une forme), ou un effet de clic ou de notification en réponse à un toucher passif sans déplacement du doigt.

Un autre but de l'invention est de proposer une interface à retour haptique qui ne génère aucun bruit audible par l'oreille humaine.

Un autre but de l'invention est de proposer une interface à retour haptique dont les actionneurs soient très peu encombrants et faciles à intégrer sur l'interface.

RESUME DE L'INVENTION

Dans son principe, l'invention consiste à générer des ondes élastiques à des fréquences ultrasoniques induisant des mouvements des particules de la surface de l'interface selon des trajectoires faiblement elliptiques (c'est-à-dire aussi proches que possible d'un cercle), et capables de produire des forces selon un axe privilégié dans le plan de l'interface. Ces forces sont alors modulées pour produire l'effet haptique recherché, en réponse à un toucher actif ou un toucher passif de l'utilisateur à la surface de l'interface.

L'invention a donc pour objet une interface tactile comportant d'une part une surface d'interface apte à générer un effet de retour haptique en réponse à un toucher de ladite surface par un utilisateur, et d'autre part au moins un actionneur piézoélectrique configuré pour générer dans ladite surface d'interface au moins une onde de fréquence ultrasonore apte à imprimer aux particules de cette surface un mouvement elliptique présentant une composante de déplacement tangentielle à ladite surface, notée ut(t), et une composante de déplacement normale à ladite surface, notée Un(t), caractérisée en ce que ladite onde de fréquence ultrasonore est choisie pour que l'amplitude Ut de la composante tangentielle ut(t) et l'amplitude Un de la composante normale u _n (t) soient sensiblement égales.

Selon un mode de réalisation, les ondes de fréquence ultrasonore choisies pour générer un mouvement elliptique dont la composante tangentielle Ut(t) et la composante normale Un(t) sont telles que le rapport Ut/Un des amplitudes de la composante de déplacement tangentielle et de la composante de déplacement normale soit compris entre 0.5 et 1.5.

Selon un mode de réalisation, les ondes ultrasonores résultantes sont obtenues par la combinaison de deux ondes stationnaires à la même fréquence dont les signaux de commande sont déphasés de 90 °.

Selon un mode de réalisation, lesdites ondes stationnaires sont choisies de façon que l'onde ultrasonore résultante est une onde progressive.

Selon un mode de réalisation, l'onde ultrasonore résultante est obtenue par la combinaison de deux ondes de flexion.

Selon un mode de réalisation, les actionneurs piézoélectriques sont disposés de manière à générer une onde combinant une onde de flexion ayant une composante principale normale à la surface de l'interface, et une onde de compression-dilatation ayant une composante principale tangentielle à la surface de l'interface.

Selon un mode de réalisation, la surface de l'interface a la forme d'une plaque rectangulaire d'épaisseur faible au regard de sa longueur et de sa largeur, comportant sur une face de la plaque le long de l'un de ses bords un premier ensemble d'actionneurs piézoélectriques disposés de manière à générer dans la plaque une onde de flexion, et comportant sur l'épaisseur dudit bord un second ensemble d'actionneurs piézoélectriques disposés de manière à générer dans la plaque une onde de compression-dilatation. Selon un mode de réalisation, la surface de l'interface a la forme d'une plaque rectangulaire d'épaisseur faible au regard de sa longueur et de sa largeur, comportant sur une face de la plaque le long de l'un de ses bords un premier ensemble d'actionneurs piézoélectriques, et comportant sur la face opposée le long dudit bord un second ensemble d'actionneurs piézoélectriques, les deux ensembles d'actionneurs étant commandés de manière à générer dans la plaque une onde de flexion et une onde de compression-dilatation.

Selon un mode de réalisation, ladite plaque comporte une surface d'interface transparente mécaniquement couplée à un écran d'affichage.

Selon un mode de réalisation, l'interface tactile comporte en outre un capteur de force de contact mesurant la force d'appui du doigt de l'utilisateur sur la surface d'interface, et un moyen pour commander la mise en vibration de la surface d'interface lorsque la force d'appui dépasse un seuil de valeur prédéterminée.

L'interface tactile peut également comporter un capteur de position indiquant la position du doigt de l'utilisateur lorsqu'il est en contact avec la surface de l'interface, et un moyen pour commander la mise en vibration de cette surface lorsque la position de contact enregistrée se trouve à une position prédéfinie ou dans une zone prédéfinie de la surface d'interface.

L'invention a également pour objet l'utilisation de l'interface tactile décrite plus haut, configurée de manière à générer lors du contact d'un doigt ou d'un stylet un effet de clic ou de notification en réponse à un toucher passif de la surface de l'interface.

Par « toucher passif » on désigne un mode d'interaction où l'utilisateur pose le doigt sur la surface sans le bouger dans une direction tangentielle par rapport au plan de la surface de l'interface.

L'effet dit de « clic » haptique consiste à produire une sensation de clic-bouton similaire à celle ressentie par un utilisateur lors de la pression d'un bouton mécanique. Il est produit dans la surface d'interface et est ressenti par le doigt de l'utilisateur lorsque celui-ci appuie sur la surface pour actionner un bouton virtuel. Le retour haptique traduit une sensation comparable à celle que procure le fait d'appuyer sur une touche ou un bouton d'un clavier physique tangible. L'effet haptique dit de « notification » correspond à un effet de type vibro- tactile, mais contrairement aux interfaces vibro-tactiles connues qui mettent en vibration l'ensemble du dispositif d'interface, c'est-à-dire l'appareil dans son ensemble y compris le boîtier, l'effet est ici localisé à la surface d'interface au moyen d'une onde de fréquence ultrasonore, et n'est ressenti que lorsque le doigt de l'utilisateur entre en contact avec la surface d'interface. La notification haptique permet de signaler à l'utilisateur la fin d'une tâche, la prise compte d'une commande, la présence d'information à consulter, etc.

Selon un mode d'utilisation, on applique aux deux ondes stationnaires déphasées de 90 degrés un saut de phase de 180°, de façon à inverser le sens de rotation des particules mises en mouvement elliptique, pour créer sous la pulpe du doigt une sensation impulsionnelle assimilable à un effet de clic.

Selon un mode d'utilisation, l'interface tactile est configurée de façon à générer lors du contact d'un doigt ou d'un stylet un effet de guidage du doigt ou du stylet vers une zone prédéterminée de la surface de l'interface, en réponse à un toucher passif de la surface de l'interface.

Selon un mode d'utilisation, l'interface tactile est configurée de façon à générer lors du contact d'un doigt ou d'un stylet un effet de texture virtuelle par lubrification ultrasonique, en réponse à un toucher actif de la surface de l'interface.

Par « toucher actif » on désigne un mode d'interaction où l'utilisateur déplace son doigt sur la surface d'interface dans une direction tangentielle par rapport au plan de la surface de l'interface, dans un mouvement similaire à un « balayage » de la surface d'interface.

DESCRIPTION DETAILLEE

L'invention sera décrite plus en détail à l'aide des figures, dans lesquelles :

- Les figures IA et IB représentent respectivement une vue en coupe d'une interface tactile selon l'invention, et le mouvement elliptique d'une particule de la surface de l'interface ;

- La figure 2 représente une vue en perspective de dessous et de dessus d'un mode de réalisation d'une interface tactile selon l'invention ; - La figure 3 représente une vue en perspective de dessous d'un autre mode de réalisation d'une interface tactile selon l'invention.

Le principe de base de l'invention est décrit en relation avec les figures IA et IB. Il consiste à utiliser des mouvements elliptiques particuliers des particules de la surface d'une interface tactile afin de produire au niveau des points de contact de cette surface avec le doigt d'un utilisateur (ou un stylet) des forces motrices s'exerçant sur ces points de contact, dont des forces tangentielles selon un axe situé dans le plan de la surface de l'interface.

Comme schématisé en figure IA, une plaque vibrante 1 constituée par exemple par le verre de surface d'un écran tactile, est représentée en coupe transversale. La plaque est mise en vibration par une onde de fréquence ultrasonore qui fait onduler la plaque 1 en soumettant chaque particule élémentaire de la plaque à un mouvement elliptique. Le doigt 5 touchant la surface de la plaque 1 est alors entraîné dans un sens indiqué par la flèche 6, correspondant au sens de la composante tangentielle du mouvement elliptique de la particule 4 correspondant au point de contact.

La trajectoire 8 du mouvement elliptique d'une particule 4 de la surface de la plaque est représentée de manière agrandie en figure IB. Elle comporte à chaque instant une composante ut tangentielle correspondant à un déplacement parallèle au plan de la plaque, et une composante normale Un correspondant à un déplacement perpendiculaire au plan de la plaque. La composante Un de la force motrice contribue à l'effet de lubrification ultrasonique, qui repose sur la lévitation du doigt au-dessus de la surface de l'interface tactile. Dans le cadre de l'invention cet effet de lévitation du doigt correspondant à la composante normale Un est donc combiné avec l'effet d'entrainement latéral du doigt correspondant à la composante tangentielle ut du mouvement elliptique.

Ces composantes tangentielle ut et normale Un sont données par les équations [Math 1] [Math 2] suivantes :

[Math 1] ut=Ut sin(o t)

[Math 2] Un=Un COS(ü t) où Ut et Un sont les amplitudes correspondant à la longueur des axes du mouvement elliptique, w est la pulsation du mouvement elliptique, et t désigne le temps. Dans ces conditions, lorsqu'un doigt 5 touche une particule 4 de la surface soumise à ce mouvement elliptique, cette particule tend à communiquer à la pulpe du doigt sa vitesse, d'où l'existence d'une force motrice s'appliquant au doigt et orientée selon le sens de rotation de l'ellipse. Dans le cas où ce mouvement résulte d'une onde progressive, il peut être en sens horaire ou anti-horaire indépendamment du sens de propagation de l'onde. Dans le cas d'une superposition d'ondes stationnaires, c'est le déphasage relatif des ondes stationnaires qui crée localement un mouvement elliptique contrôlable par l'amplitude réciproque des deux ondes.

Si les amplitudes tangentielle et normale sont telles que Ut/Un >> 1, la particule 4 produit un mouvement de va-et-vient (forte ellipticité) essentiellement tangentiel au plan de la surface de contact, sans produire de décollement dans une direction normale à la surface, et donc sans parvenir à produire d'entrainement du doigt par rapport à la surface. La force moyenne produite en une période 2p/w devient nulle. On n'obtient alors aucun effet haptique perceptible en réponse à un toucher, qu'il soit actif ou passif.

De même, si les amplitudes sont telles que Ut/Un << 1, la particule 4 décrit un mouvement essentiellement normal au plan de la surface de contact de la plaque 1, sans produire de déplacement dans l'axe tangentiel au plan de la surface, et donc la force tangentielle appliquée au doigt est nulle. Dans ces conditions, on ne peut obtenir qu'un effet de texture virtuelle, mais pas d'effet de clic ou de notification.

L'invention a permis de déterminer qu'il existe un rapport Ut/Un optimal des amplitudes Ut et Un des composantes tangentielle et normale de l'onde de fréquence ultrasonore produisant un mouvement elliptique des particules 4 de la surface, pour permettre l'obtention des différents effets de retour haptique visés en réponse à un toucher actif ou à un toucher passif de l'utilisateur, à savoir un effet de lubrification ultrasonique, ou un effet de clic, de notification, ou de guidage du doigt ou du stylet.

Ce rapport optimal a été déterminé par des études psychophysiques et vaut idéalement 1, ce qui correspond à un mouvement circulaire.

En pratique, de très bons résultats restent possibles tant que le rapport d'ellipticité Ut/Un est compris dans un intervalle allant de 0.5 à 1.5 tel que déterminé par une étude psychophysique.

On a donc de préférence un rapport d'ellipticité Ut/Un qui satisfait la relation [Math 3] suivante : [Math 3] 0.5 < — < 1.5

Dans ces conditions on obtient à n'importe quel point de contact de la surface d'interface actionnée par une onde élastique de fréquence ultrasonore, des forces tangentielles d'amplitude suffisante pour créer des sensations haptiques bien perceptibles sous le doigt, y compris lorsque ce dernier est immobile dans le cadre d'un toucher dit passif.

Dans le contexte applicatif des écrans haptiques ou des surfaces haptiques en général, les épaisseurs des plaques utilisées sont souvent faibles. Elles vont de quelques dixièmes de millimètres pour les écrans OLED d'un smartphone à quelques millimètres pour des écrans de contrôle industriels ou des plastiques épais.

Selon un aspect de l'invention, afin d'obtenir une onde produisant un mouvement elliptique des particules 4 de la surface et répondant au critère de l'équation (3), un moyen intéressant consiste à combiner une onde de flexion, ayant une composante principale transversale, avec un autre type de vibration telle que la compression-dilatation, ayant une composante principale longitudinale.

Un premier mode de réalisation associé à cette approche est schématisé sur la figure 2. Il peut être obtenu de différentes manières et notamment en conjuguant deux réseaux d'actionneurs piézoélectriques 3 identiques placés de part et d'autre de la surface 1 à actionner. Les deux réseaux d'actionneurs piézoélectriques 3 identiques sont placés de part et d'autre de la plaque 1 à actionner, le long d'un bord de celle-ci. Le rapport d'amplitude des deux signaux d'actionnement permet de contrôler le rapport entre l'onde de flexion et l'onde de compression-dilatation. Le contrôle des amplitudes relatives des deux réseaux d'actionneurs permet ainsi d'ajuster le poids respectif des ondes flexion et de compression-dilatation pour satisfaire la relation (3).

Un autre mode de réalisation pour obtenir cette même superposition de mode est représenté en figure 3 et consiste à remplacer les actionneurs 3 du dessus (figure 2) par des actionneurs 2 situés sur la tranche c'est-à-dire dans l'épaisseur de la plaque 1 à actionner. Dans ce cas, les actionneurs 3 situés sur la face inférieure de la plaque 1 ne servent à générer que des ondes de flexion et les actionneurs 2 situés sur la tranche de la plaque actionnent uniquement les ondes de compression-dilatation. Un autre mode de réalisation (non représenté) consiste à générer deux ondes de flexion, au moyen de deux réseaux d'actionneurs piézoélectriques 3 identiques placés cette fois sur une même face de la surface 1 à actionner, mais sur des bords opposés.

D'autres modes de réalisation peuvent être envisagés pour obtenir une onde produisant un mouvement elliptique des particules 4 de la surface et satisfaisant le critère de la relation (3).

Dans tous les cas de figure, il devient possible simultanément avec la même architecture matérielle très simple, de créer des forces tangentielles motrices (par exemple pour suggérer une trajectoire au doigt d'un utilisateur posé sur la surface dans le cadre d'un toucher passif), et de contrôler le coefficient de friction pour obtenir un effet de texture virtuelle dans le cadre d'un toucher actif de balayage du doigt sur la surface. La trajectoire elliptique des points de la surface est obtenue en déphasant l'onde de flexion de 90° par rapport à l'onde de compression-dilatation.

Dans cette configuration, on peut créer des effets haptiques lors d'un appui statique d'un doigt de l'utilisateur (ou stylet) en des points quelconques de la surface d'interface, même distants de la position des actionneurs piézoélectriques, en inversant soudainement le sens de rotation de la vibration. Cela est réalisé en créant un saut de phase de 180° sur un des deux signaux de commande. On sentira alors sous la pulpe du doigt une sensation impulsionnelle assimilable par exemple à un effet de clic.

La multiplication des retournements du sens de rotation du mouvement elliptique des particules (provoqués par plusieurs sauts de phase successifs), permet une mise en vibration de la pulpe du doigt correspondant à la perception de notifications haptiques localisées sous la pulpe du doigt. Elle peut aussi permettre de produire des sensations de clic différentiées.

La création d'une onde de fréquence ultrasonore présentant un rapport Ut/Un proche de 1 permet de créer des forces motrices sous la pulpe du doigt, qui permettent soit de suggérer une trajectoire à un doigt sur une surface ou un écran, soit de rendre tangibles des frontières entre deux zones d'un écran, en créant des forces opposées au déplacement du doigt entre ces deux zones. AVANTAGES DE L'INVENTION

L'invention atteint les buts fixés.

En particulier, elle permet d'obtenir avec une même structure matérielle, plusieurs effets haptiques, notamment des effets de textures artificielles en réponse à l'exploration d'une surface par un toucher actif, ou bien en réponse à un toucher passif (sans déplacement du doigt par l'utilisateur), des effets de guidage du doigt selon une trajectoire, ou des effets de clic ou de notification.

En outre, l'interface haptique selon l'invention est excitée à une fréquence ultrasonore et ne génère donc pas de bruit audible par l'oreille humaine. Enfin, l'invention est aisée à mettre en œuvre et à intégrer sur une surface haptique, grâce au faible encombrement permis par l'utilisation d'actionneurs piézoélectriques.