EP3931670A1 - Capteur-actionneur unitaire pour générer un effect haptique sur une plaque et utilisation de ce dernier - Google Patents

Capteur-actionneur unitaire pour générer un effect haptique sur une plaque et utilisation de ce dernier

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Publication number
EP3931670A1
EP3931670A1 EP20721673.0A EP20721673A EP3931670A1 EP 3931670 A1 EP3931670 A1 EP 3931670A1 EP 20721673 A EP20721673 A EP 20721673A EP 3931670 A1 EP3931670 A1 EP 3931670A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor
actuator
actuators
plate
processor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20721673.0A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Frederic Giraud
Christophe Giraud-Audine
Michel AMBERG
Betty LEMAIRE-SEMAIL
Bruno CHALLIOL
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Universite Lille 2 Droit et Sante
Hap2U SAS
Original Assignee
Universite Lille 2 Droit et Sante
Hap2U SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universite Lille 2 Droit et Sante, Hap2U SAS filed Critical Universite Lille 2 Droit et Sante
Publication of EP3931670A1 publication Critical patent/EP3931670A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/016—Input arrangements with force or tactile feedback as computer generated output to the user
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/0207—Driving circuits
    • B06B1/0223—Driving circuits for generating signals continuous in time
    • B06B1/0269—Driving circuits for generating signals continuous in time for generating multiple frequencies
    • B06B1/0276—Driving circuits for generating signals continuous in time for generating multiple frequencies with simultaneous generation, e.g. with modulation, harmonics
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
    • B06B1/0622—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements on one surface
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    • B06B2201/00—Indexing scheme associated with B06B1/0207 for details covered by B06B1/0207 but not provided for in any of its subgroups
    • B06B2201/50—Application to a particular transducer type
    • B06B2201/55—Piezoelectric transducer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B2201/00—Indexing scheme associated with B06B1/0207 for details covered by B06B1/0207 but not provided for in any of its subgroups
    • B06B2201/70—Specific application
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/041—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means

Definitions

  • the present invention relates to the field of tactile interfaces using several electromechanical actuators, in particular piezoelectric, distributed over the interface.
  • each piezoelectric actuator must be supplied with electrical energy in order to be able to transform it into a deformation thanks to the piezoelectric effect.
  • the energy must therefore be distributed in a complex manner over the whole of the vibrating structure, which generates complexity in the supply architecture of the actuators.
  • the various actuators are supplied 0 in parallel. They are then supplied by the same electric voltage, but this does not guarantee the synchronization of the movements of the actuators, and therefore the good coordination of the actions on the touchscreen interface, because each actuator can have its own resonant frequency.
  • the actions of the various actuators must be well coordinated in order to produce a good tactile sensation for a user, which generates a complexity of the control architecture of the actuators.
  • each actuator has its own amplifier and the voltage reference comes from a single computer.
  • This 0 method allows the synchronization of actions via this single computer.
  • it is complex to implement because the single computer must include multiple outputs.
  • the single controller DSP
  • the single controller For the signal and the power of the actuators.
  • the single controller then needs several inputs for the measurement of the deformations, and several outputs for supply voltages.
  • the single controller must therefore include a large number of inputs / outputs, which makes it complex and expensive.
  • the distribution of the power supply to the various actuators is often at high voltage, and therefore risks generating a crosstalk phenomenon, that is to say that the power supply an actuator can disturb the power supply to neighboring actuators, and the overall vibratory effect is disturbed. It can also disturb the vibration measurements, and therefore the supply voltage of an actuator can be found in the vibration measurement of a sensor of the system.
  • the known architectures with multiple actuators are often very sensitive to changes in environmental conditions, such as the operating temperature, and the tactile effect obtained using the actuators can be disturbed.
  • the general aim of the invention is to propose a new type of sensor-actuator for ultrasonic applications, making it possible to solve the problems mentioned above and the drawbacks of known systems with multiple actuators.
  • the particular object of the invention is to provide a unitary actuator sensor, and a system using such actuator sensors, in which the energy conversion (that is to say the supply to the actuators) is carried out at the level of each actuator, so that energy is distributed to each actuator and not voltage, in order to generate less crosstalk between actuators.
  • Another particular object of the invention is to propose a system of several sensors - actuators to which the vibratory references are supplied by a communication link from a master microcontroller, and this at a reduced frequency.
  • the present invention proposes a distributed and hierarchical vibration control structure comprising a master and a set of slaves.
  • a slave is a unit sensor-actuator couple in which the sensor and the actuator are co-located, that is to say located ideally at the same place of a plate to be actuated, or at least at a very short distance one on the other on the plate. Its role is to locally control the vibration of the plate.
  • the sensor-actuator pair comprises a DC-AC converter to supply the actuator by amplifying the signals from the control circuit using the measurements from the sensor. It acts locally and quickly to follow the instructions assigned to it by the master processor.
  • a slave is therefore a sensor-actuator system integrating:
  • the “master” controller or processor sends the local vibratory references of the plate to each sensor-actuator, determined from the reference to be made globally. It receives quantities (measurements, voltages) from the unit sensor-actuators. By aggregating this information, the master has overall information and can adjust the references transmitted to each of the slaves.
  • the subject of the invention is therefore a unitary sensor-actuator, intended to be fixed on a first face of a plate to be actuated according to at least one predetermined vibratory mode of the plate, said unitary sensor-actuator comprising an electromechanical actuator and a sensor deformation or vibratory speed both fixed on said first face of the plate so as to create on a second face of the plate opposite said first face a vibration generating a haptic effect perceptible by a finger or a stylus of a user, characterized in that the actuator and the sensor are fixed side by side on said first face and are separated by a distance less than or equal to half the wavelength of the vibration at the lowest resonant frequency at which the actuator must actuate said plate, so that the actuator and the sensor can respectively actuate and measure a same predetermined vibratory mode of the plate. In this way, it is avoided that a given sensor-actuator can measure vibratory modes that it is not able to actuate.
  • the distance between the sensor and the actuator is less than or equal to the half wavelength of the vibration at the lowest resonant frequency at which the actuator must actuate said plate.
  • the distance between the sensor and the actuator is equal to a multiple of the half wavelength of the vibration.
  • the electromechanical actuator is a piezoelectric actuator.
  • the maximum size of the actuator (namely its length in the case of a rectangular actuator) is between 2 and 25 mm, so as to ensure the actuation and measurement functions while being small enough to be able to excite the vibratory modes of the smallest wavelengths in an ultrasonic vibratory frequency range between 20 kHz and 200 kHz.
  • the senor is arranged to supply a measurement signal w (t) to a processor associated with the sensor-actuator, and said processor is arranged to calculate the instantaneous value noted Vin (t) of the supply voltage to be delivered to the actuator.
  • the sensor-actuator comprises a DC to AC voltage converter controlled by the processor associated with the sensor-actuator.
  • the value of the supply voltage Vin (t) is slaved by a digital controller to the instantaneous value of the measurement signal w (t) delivered by the sensor.
  • the subject of the invention is also a tactile device comprising a vibrating plate, characterized in that it comprises a set of unit sensor-actuators as described above, distributed and fixed on one face of a vibrating plate.
  • this tactile device comprises a master processor connected in parallel to an input of each of the slave processors of the unit sensor-actuators, so as to be able to dissociate the control signals from the different actuators.
  • the master processor is configured to send to each slave processor synchronization information at a frequency lower than the vibration frequency of the sensors.
  • the master processor is configured to execute during an initialization phase an auto-addressing algorithm so as to automatically map the sensor-actuator network on the plate to be actuated.
  • the master processor is configured to transmit to the slave processors working parameters, namely the data necessary for the control of one or more vibratory mode (s) of the plate to be actuated. It can also be configured to transmit to the slave processors voltage setpoints for each vibratory mode, depending on the spatial distribution of the sensor-actuators, the resonance frequencies assigned to the different sensor-actuators during the initialization phase, and depending on the desired effect for a user on a tactile face of the plate to be actuated.
  • the master processor is configured to, during a diagnostic phase, interrogate the slave processors to obtain their operating parameters and to correct the parameterization of the individual sensor-actuators if necessary.
  • the master processor is configured to, during an interfacing phase, communicate to an external processing device the data collected from the slave processors in order to allow their post-processing.
  • FIG. 1 represents a simplified diagram of an experimental device of the same inventors, described in the document (2) of the state of the art cited above;
  • FIG. 2 represents a diagram of the architecture of a unit sensor-actuator assembly according to the invention.
  • FIG. 3 represents the internal diagram of the processor which controls each of the sensor-actuators
  • FIG. 4 represents the principle of controlling the vibration using a rotating marker
  • FIG. 5 represents the electric power supply circuit of various piezoelectric actuators
  • FIG. 6 represents a diagram of the architecture of a plurality of sensor-actuators in accordance with the invention for actuating a tactile interface.
  • FIG. 1 schematically illustrating the experimental device known from document (2) cited above and using a single actuator of the Langevin type, constituted by a piezoelectric pellet interposed between a vibrating mass provided with a textured upper surface , and a foreman.
  • a piezoelectric vibration sensor is fixed directly on the Langevin actuator, namely on its vibrating mass, and not on a plate carrying a Langevin type actuator.
  • a user can test the tactile effect generated directly on the actuator by placing a finger on the textured top surface of its vibrating mass.
  • An actuator-sensor 1 comprises an electromechanical actuator 2 (of the piezoelectric or electromechanical or other type) and a deformation or vibratory speed sensor 3 (of the same type as the examples cited above for example) both fixed on said first face 4a of the plate 4 so as to create on a second face 4b of the plate 4 opposite to said first face 4a a vibration generating a haptic effect perceptible by a finger or a stylus of a user placed on the second face 4b of the plate.
  • electromechanical actuator 2 of the piezoelectric or electromechanical or other type
  • a deformation or vibratory speed sensor 3 of the same type as the examples cited above for example
  • the actuator 2 and the sensor 3 are co-located on a face 4a of a vibrating plate 4, that is to say that the measurement by the sensor 3 is very close to the place where s' applies the actuation by the actuator 2.
  • plate in the context of the present invention, is meant a sheet of any material, rigid, solid, and of small thickness compared to its other dimensions.
  • the distance between the sensor 3 and the actuator 2 is less than the half wavelength of the vibration according to the lowest resonant frequency at which the actuator must actuate said plate 4.
  • This sensor-actuator assembly 1 is attached to a vibrating structure, shown here in the form of a vibrating plate or slab 4.
  • the sensor 3 and the actuator 2 are attached to a face 4a of the plate 4, for example. by gluing.
  • the size of the sensor-actuator assembly 1 must be large enough to perform the actuation and measurement functions, but small enough to be able to excite the small wavelength vibration modes.
  • the maximum size of the actuator 2 (namely its length in the case of a rectangular actuator) is between 2 and 25 mm, so as to ensure the actuation and measurement functions while being small enough to be able to excite the vibratory modes of high frequency and therefore of small wavelength.
  • Each sensor-actuator 1 of the device is controlled by a digital signal processor 5 (also denoted DSP, acronym for “Digital Signal Processor” in English terminology) which receives as input the signal from the sensor 3 and delivers a signal as output control to a DC / AC voltage converter 6 in order to locally control the vibratory amplitude to a set value.
  • DSP Digital Signal Processor
  • the DSP processor 5 and the voltage converter 6 are also very close to the sensor 3 and the actuator 2. But in reality they should be at a certain distance because they should not interfere with the vibration of the vibrating plate 4.
  • FIG. 3 represents the internal diagram of the DSP processor 5 which controls each of the sensor-actuators 1.
  • the dotted line block represents a working loop at high frequency, for example the frequency of 1 MHz given by a clock 7. The rest of the blocks work at a lower frequency.
  • W (t) is the measurement coming from the sensor 3. It is an alternating voltage a priori sinusoidal which can be analogous to the vibratory speed or to the displacement of the surface 4 in the vicinity of the actuator 2.
  • the output voltage intended for to be delivered to a sensor-actuator 1 is denoted Vin (t). It is also sinusoidal alternating.
  • V d and V q are transmitted to a modulator 11 (which is also called Reverse Rotation).
  • the demodulation carrier is necessarily synchronous and has the same pulsation as the vibration, since the latter is generated from the voltage v (t).
  • this time T will be equal to the period of vibration of the mode considered, therefore of the resonance frequency considered.
  • the Ns most significant bits of the counter C serve as an address to a ROM memory containing the values of the sine function.
  • the cosine values for the same instant. Changes in vibration frequency are made by changing the value of DQ.
  • each sensor-actuator 1 also has an electric power supply 13, capable of amplifying the voltage Vin, while ensuring the impedance matching.
  • a bridge arm like the one shown schematically in Figure 5 can be used.
  • a bus voltage denoted HV is cut by the method of pulse width modulation by two transistors 14.
  • An inductor 15 filters the harmonic content while ensuring the alternation of the sources.
  • the piezoelectric actuator is capacitive. If you connect it to a voltage source, it generates huge transient currents. To avoid this, we arrange to insert a current source, to comply with the rule of alternation of sources as known in power electronics.
  • closed loop control of the voltage can be implemented at the level of the DSP processor 5 of each unitary sensor-actuator 1.
  • FIG. 6 represents a diagram of a system 16 using a plurality of unitary sensor-actuators 1 as described above, which makes it possible to supply and control a set of electromechanical actuators distributed over a resonator, for example a tactile interface 4.
  • the device 16 is hierarchical as shown in FIG. 6. It comprises a main processor 17 which plays the role of master coordinating the processors 5 of the various unit sensor-actuators 1 which play the role of slave processors.
  • the master processor 17 has suitable calculation capacities, but it is not necessarily very fast, and does not require specialized peripherals. Its cost is therefore limited.
  • the number of 1 slave sensor-actuators is variable. This number is determined by the user as a function of the plate 4 to be actuated and the vibratory modes to be controlled.
  • Communication between the different elements is ensured via a network communication 18 on one or two wires (of the I2C or SPI type for example).
  • Communication between master processor 17 and slave processors 5 can be relatively slow compared to a single processor structure conforming to the state of. the technique. It is used for administration operations with low bandwidth requirements such as structuring the sensor-actuator network 1, assigning slave processors 5, transmitting setpoints, synchronization, system diagnostics, or interfacing to external devices (not shown). These operations are described in more detail below.
  • the master processor 17 executes an auto-addressing algorithm by which it automatically maps the sensor-actuator network 1.
  • the master processor 17 transmits the working parameters to the slave processors 5 (specifically the data necessary for the control of one or more vibratory mode (s), such as the resonant frequency (s), damping (s), gains, parameters of the controller (s)).
  • the references for each mode are calculated according to the spatial distribution of displacement, speed or acceleration necessary for the desired effect on the surface 4 to be actuated (vibration control, focusing ).
  • the references expressed in the rotating frame described above (FIG. 4), correspond to the envelopes of the real trajectories.
  • the envelope of a sinusoidal signal represents for example the evolution of the peak amplitude over time. As the evolution of the amplitude is slower than the sinusoidal signal, less points are needed per second to describe it, than for the signal itself.
  • Synchronization for focused vibration type applications, the phase shifts between the different modulations are critical.
  • Diagnosis on interrogation of the master processor 17, a slave processor 5 sends back to the master processor the elements necessary (voltages V d , V q , speed U d U q for example) for an operating diagnosis.
  • the master processor 17 readjust the characteristics of the system, for example from an internal model of the structure. The readjustment makes it possible to adjust the dynamic parameters and possibly to rectify the parameter setting of the individual sensors-actuators 1 if necessary.
  • the master processor 17 is capable of communicating with a more advanced device (computer, electronic tablet). This provides high-level tools to assist the user in the description phase of the structure to be actuated, the mapping of the arrangement of the sensors-actuators, the configuration of the internal model, namely a set of equations. which describe for example the modes of vibrations (modal strains). The parameters of these equations can be entered via the serial link.
  • a more advanced device computer, electronic tablet
  • the real instructions are transmitted by this means (the master processor 17 being then in charge of the projection in the modal base, that is to say that starting from a deformation of reference which one wishes, one calculates with from scalar product algorithms the amplitudes for each vibratory mode
  • the master processor 17 can feed back the data collected from the slave processors 5 to allow their post-processing by the user.
  • the invention meets the objectives set and makes it possible to solve the problems identified with actuators in accordance with the state of the art.
  • each individual sensor-actuator 1 combined with a control by a master processor 17 makes it possible to simplify the connections and to share the electrical supply of the actuators (often high voltage) and the communication network, while avoiding inter-cable crosstalk.
  • the synchronization of the unitary sensors-actuators 1 is ensured by the communication link and by the stability of the Quartz of the local processors 5.
  • the unitary sensor-actuators 1 can be used in a network on several structures, the master processor 17 providing voltage references adapted to the application, which allows great versatility of use.
  • Closed loop control allows adaptation to parametric variations due to changing environmental conditions, so device operation is robust.
  • the problem of controlling the vibration that is not co-located with the sensor is that the relative phase between the actuation and the signal measured by the sensor changes depending on the mode.
  • the actuator and the sensor can be in phase for one mode and in opposition for a neighboring mode. Therefore in closed loop, the stable loop for one mode can potentially be destabilized by the neighboring mode due to the sign change in the feedback.
  • a sensor-actuator has a logical link which goes back to the master processor allows all the sensor-actuators to be synchronized.
  • the master processor only needs low frequency communication with the slave processors which work locally at a higher frequency, which avoids having to oversize the master processor.

Abstract

L'invention concerne un capteur-actionneur unitaire (1), destiné à être fixé sur une surface (4) à actionner selon au moins un mode vibratoire prédéterminé, et comportant un actionneur électromécanique (2) et un capteur (3) de déformation ou de vitesse vibratoire, caractérisé en ce que l'actionneur électromécanique (2) et le capteur (3) sont co-localisés sur ladite surface (4), c'est à dire que la mesure par le capteur (3) est effectuée à proximité immédiate de l'actionneur électromécanique (2), cette proximité étant telle que l'actionneur (2) et le capteur (3) puissent respectivement actionner et mesurer le même mode vibratoire prédéterminé.

Description

DESCRIPTION
TITRE :
CAPTEUR-ACTIONNEUR UNITAIRE POUR GÉNÉRER UN EFFECT HAPTIQUE
SUR UNE PLAQUE ET UTILISATION DE CE DERNIER
5 La présente invention concerne le domaine des interfaces tactiles utilisant plusieurs actionneurs électromécaniques, notamment piézoélectriques, répartis sur l'interface.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE
Les interfaces tactiles connues qui utilisent plusieurs actionneurs, notamment îo piézoélectriques, posent plusieurs problèmes liés à leur architecture d'alimentation et de commande des actionneurs, à l'existence de phénomènes de diaphonie entre actionneurs, ou encore à une trop grande sensibilité aux conditions environnementales.
S'agissant de l'alimentation, chaque actionneur piézoélectrique doit être 15 alimenté en énergie électrique pour pouvoir la transformer en une déformation grâce à l'effet piézoélectrique. L'énergie doit donc être répartie de manière complexe sur l'ensemble de la structure vibrante, ce qui génère une complexité de l'architecture d'alimentation des actionneurs.
Dans certaines configurations connues, les différents actionneurs sont alimentés 0 en parallèle. Ils sont alors alimentés par la même tension électrique, mais cela ne garantit pas la synchronisation des déplacements des actionneurs, et donc la bonne coordination des actions sur l'interface tactile, car chaque actionneur peut avoir sa propre fréquence de résonance.
S'agissant de la commande des actionneurs, les actions des différents 5 actionneurs doivent être bien coordonnées afin de produire une bonne sensation tactile pour un utilisateur, ce qui génère une complexité de l'architecture de commande des actionneurs.
Dans certaines configurations connues, chaque actionneur possède son propre amplificateur et la référence de tension provient d'un calculateur unique. Cette 0 méthode permet la synchronisation des actions via ce calculateur unique. En revanche, elle est complexe à mettre en œuvre car le calculateur unique doit comporter des sorties multiples.
Pour synchroniser les actionneurs, on fait appel à un filtrage inverse : les fonctions de transfert de chaque amplificateur et de la structure vibrante sont identifiées, puis inversées pour obtenir les références de tension en fonction d'une déformation de référence. Cependant, puisque ces fonctions de transfert varient avec les conditions expérimentales (variations géométriques, température, pression du doigt de l'utilisateur, ...) elles doivent être identifiées régulièrement.
Dans l'article (1) de Sofiane Ghenna, Frédéric Giraud, Christophe Giraud-Audine, Michel Amberg, Betty Lemaire-Semail intitulé "Preliminary design of a multi-touch ultrasonic tactile stimulator", publié dans "World Haptics Conférence (WFIC), 2015 IEEE, June 2015, Chicago, United States, World Haptics Conférence (WFIC), 2015 IEEE, 2015, 10.1109/WFIC.2015.7177687 <hal-01238296> est présentée une réalisation d'une poutre à deux modes de vibration contrôlés par deux actionneurs, mais dans cette implémentation, le contrôle des actionneurs n'est pas réparti au niveau des actionneurs. A la place, un contrôleur unique gère les références de tension en boucle fermée. Ceci présente l'inconvénient de nécessiter une connectique conséquente entre les actionneurs et le contrôleur unique (DSP) pour le signal et la puissance des actionneurs. Pour passer à plusieurs modes de résonance, le contrôleur unique a alors besoin de plusieurs entrées pour la mesure des déformations, et de plusieurs sorties pour les tensions d'alimentation. Le contrôleur unique doit donc comporter un grand nombre d'entrées/sorties, ce qui le rend complexe et coûteux.
Dans l'article (2) "Vector Control of Piezoelectric Transducers and Ultrasonic Actuators de Sofiane Ghenna, Frédéric Giraud, Christophe Giraud-Audine, Michel Amberg dans « IEEE Transactions on Industrial Electronics 2018 », est décrit un dispositif expérimental pour le contrôle de bas niveau d'un actionneur de Langevin dans le domaine ultrasonique. Ce contrôle permet de suivre une référence en amplitude de déformation et de faire un suivi de la fréquence de résonance de l'actionneur, mais il n'est décrit que pour un seul mode de vibrationicpi] d'un seul actionneur en tant que tel, et il n'est donc pas adapté au contrôle de différents modes vibratoires d'une interface tactile comme une plaque pourvue d'une pluralité d'actionneurs. . Par conséquent, pour passer à plusieurs modes de résonance de vibration d'une plaque, il faudrait mettre plusieurs boucles d'asservissement qui fonctionent en parallèle. En outre, le contrôleur doit dans ce cas être un contrôleur très rapide, et coûteux.
Par ailleurs, dans les architectures connues à actionneurs multiples répartis, la distribution de l'alimentation aux différents actionneurs est souvent à haute tension, et risque donc de générer un phénomène de diaphonie, c'est-à-dire que l'alimentation d'un actionneur peut perturber l'alimentation des actionneurs voisins, et l'effet vibratoire global s'en trouve perturbé. Elle peut aussi perturber les mesures de vibration, et donc la tension d'alimentation d'un actionneur peut se retrouver dans la mesure de vibration d'un capteur du système.
Enfin, les architectures connues à actionneurs multiples sont souvent très sensibles aux changements de conditions environnementales, telles que la température de fonctionnement, et l'effet tactile obtenu à l'aide des actionneurs peut en être perturbé.
BUT DE L'INVENTION
L'invention a pour but général de proposer un nouveau type de capteur- actionneur pour applications ultrasoniques, permettant de résoudre les problèmes cités ci-dessus et les inconvénients des systèmes connus à actionneurs multiples.
L'invention a pour but particulier de proposer un capteur actionneur unitaire, et un système utilisant de tels capteurs actionneurs, dans lesquels la conversion d'énergie (c'est-à-dire l'alimentation des actionneurs) s'effectue au niveau de chaque actionneur, si bien que l'on distribue à chaque actionneur l'énergie et non pas la tension, afin de générer moins de diaphonie entre actionneurs.
L'invention a également pour but particulier de proposer un système de plusieurs capteurs - actionneurs auxquels les références vibratoires sont fournies par un lien de communication à partir d'un microcontrôleur maître, et ceci à une fréquence réduite.
RESUME DE L'INVENTION
Dans son principe, la présente invention propose une structure de contrôle de vibration répartie et hiérarchisée comprenant un maître et un ensemble d'esclaves. Un esclave est un couple capteur-actionneur unitaire dans lequel le capteur et l'actionneur sont co-localisés, c'est-à-dire localisés idéalement au même endroit d'une plaque à actionner, ou du moins à très faible distance l'un de l'autre sur la plaque. Son rôle est de contrôler localement la vibration de la plaque. Le couple capteur-actionneur comporte un convertisseur continu-alternatif pour alimenter l'actionneur en amplifiant les signaux du circuit de contrôle exploitant les mesures du capteur. Il agit localement et rapidement pour suivre les consignes qui lui sont assignées par le processeur maître.
Un esclave est donc un système de capteurs-actionneurs intégrant :
- les références de tension pour le convertisseur continu/alternatif
- des capteurs pour la mesure de la vibration des actionneurs
- un algorithme de contrôle qui intègre la commande des actionneurs dans un repère tournant
- un module de communication la plus rapide possible
Le contrôleur ou processeur « maître » envoie les références vibratoires locales de la plaque à chaque capteur-actionneur, déterminées à partir de la référence à réaliser globalement. Il reçoit des grandeurs (mesures, tensions) de la part des capteurs-actionneurs unitaires. En agrégeant ces informations, le maître dispose d'une information globale et peut ajuster les références transmises à chacun des esclaves.
L'invention a donc pour objet un capteur-actionneur unitaire, destiné à être fixé sur une première face d'une plaque à actionner selon au moins un mode vibratoire prédéterminé de la plaque, ledit capteur-actionneur unitaire comportant un actionneur électromécanique et un capteur de déformation ou de vitesse vibratoire fixés tous deux sur ladite première face de la plaque de manière à créer sur une seconde face de la plaque opposée à ladite première face une vibration générant un effet haptique perceptible par un doigt ou un stylet d'un utilisateur, caractérisé en ce que l'actionneur et le capteur sont fixés côte à côte sur ladite première face et sont séparés d'une distance inférieure ou égale à la demie longueur d'onde de la vibration à la plus faible fréquence de résonance à laquelle l'actionneur doit actionner ladite plaque, de façon que l'actionneur et le capteur puissent respectivement actionner et mesurer un même mode vibratoire prédéterminé de la plaque. De cette manière, on évite qu'un capteur-actionneur donné puisse mesurer des modes vibratoires qu'il n'est pas capable d'actionner.
Selon un mode de réalisation, correspondant à un fonctionnement à modes vibratoires multiples de la plaque, la distance entre le capteur et l'actionneur est inférieure ou égale à la demie longueur d'onde de la vibration à la plus faible fréquence de résonance à laquelle l'actionneur doit actionner ladite plaque.
Selon un autre mode de réalisation correspondant à un fonctionnement à mode vibratoire unique, la distance entre le capteur et l'actionneur est égale à un multiple de la demi longueur d'onde de la vibration.
Selon un mode de réalisation avantageux, l'actionneur électromécanique est un actionneur piézoélectrique.
De préférence, la taille maximale de l'actionneur (à savoir sa longueur dans le cas d'un actionneur rectangulaire) est comprise entre 2 et 25 mm, de façon à assurer les fonctions d'actionnement et de mesure tout en étant suffisamment petite pour pouvoir exciter les modes vibratoires des plus petites longueurs d'ondes dans une gamme de fréquence vibratoire ultrasonique comprise entre 20 kHz et 200 kHz.
Selon un mode de réalisation, le capteur est agencé pour fournir un signal de mesure w(t) à un processeur associé au capteur-actionneur, et ledit processeur est agencé pour calculer la valeur instantanée notée Vin(t) de la tension d'alimentation à délivrer à l'actionneur.
Le capteur-actionneur selon l'invention comporte un convertisseur de tension continue vers alternative commandé par le processeur associé au capteur-actionneur.
Selon un mode de réalisation avantageux du capteur-actionneur, la valeur de la tension d'alimentation Vin(t) est asservie par un contrôleur numérique à la valeur instantanée du signal de mesure w(t) délivré par le capteur.
L'invention a également pour objet un dispositif tactile comportant une plaque vibrante, caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble de capteurs-actionneurs unitaires tels que décrits plus haut, répartis et fixés sur une face d'une plaque vibrante. Selon un mode de réalisation, ce dispositif tactile comporte un processeur maître connecté en parallèle à une entrée de chacun des processeurs esclaves des capteurs-actionneurs unitaires, de façon à pouvoir dissocier les signaux de contrôle des différents actionneurs.
Selon un mode de réalisation avantageux du dispositif, le processeur maître est configuré pour envoyer à chaque processeur esclave une information de synchronisation à une fréquence inférieure à la fréquence de vibration des capteurs.
Selon un mode de réalisation du dispositif, le processeur maître est configuré pour exécuter pendant une phase d'initialisation un algorithme d'auto-adressage de manière à établir automatiquement la cartographie du réseau de capteur-actionneurs sur la plaque à actionner.
Selon un mode de réalisation, le processeur maître est configuré pour transmettre aux processeurs esclaves des paramètres de travail, à savoir les données nécessaires au contrôle d'un ou de plusieurs mode(s) vibratoire(s) de la plaque à actionner. Il peut également être configuré pour transmettre aux processeurs esclaves des valeurs de consigne de tension pour chaque mode vibratoire, en fonction de la répartition spatiale des capteurs-actionneurs, des fréquences de résonance attribuées aux différents capteurs-actionneurs pendant la phase d'initialisation, et en fonction de l'effet recherché pour un utilisateur sur une face tactile de la plaque à actionner.
Selon un mode de réalisation, le processeur maître est configuré pour, pendant une phase de diagnostic, interroger les processeurs esclaves pour obtenir leurs paramètres de fonctionnement et pour rectifier le paramétrage des capteurs- actionneurs individuels si nécessaire.
Enfin, selon un mode de réalisation avantageux, le processeur maître est configuré pour, pendant une phase d'interfaçage, communiquer à un dispositif de traitement externe les données recueillies auprès des processeurs esclaves afin de permettre leur post-traitement.
DESCRIPTION DETAILLEE
L'invention sera décrite plus en détail en référence aux figures ci-jointes dans lesquelles : La figure 1 représente un schéma simplifié d'un dispositif expérimental des mêmes inventeurs, décrit dans le document (2) de l'état de la technique cité ci-dessus ;
La figure 2 représente un schéma de l'architecture d'un ensemble capteur- actionneur unitaire selon l'invention.
La figure 3 représente le schéma interne du processeur qui contrôle chacun des capteurs-actionneurs ;
La figure 4 représente le principe du contrôle de la vibration à l'aide d'un repère tournant ;
La figure 5 représente le circuit d'alimentation électrique de différents actionneurs piézoélectriques ;
La figure 6 représente un schéma de l'architecture d'une pluralité de capteur- actionneurs conformes à l'invention pour actionner une interface tactile.
On se réfère à la figure 1 illustrant de façon schématique le dispositif expérimental connu du document (2) cité ci-dessus et utilisant un actionneur unique de type Langevin, constitué par une pastille piézoélectrique intercalée entre une masse vibrante pourvue d'une surface supérieure texturée, et une contremasse. Un capteur de vibration piézoélectrique est fixé directement sur l'actionneur Langevin, à savoir sur sa masse vibrante, et non pas sur une plaque portant un actionneur de type Langevin. Un utilisateur peut tester l'effet tactile généré directement sur l'actionneur en posant un doigt sur la surface supérieure texturée de sa masse vibrante. Ce document ne donne aucune indication sur l'utilisation d'actionneurs et de capteurs multiples co- localisés sur une face d'une plaque et disposés de façon très proche de manière à ce que les actionneurs et les capteurs co-localisés puissent respectivement actionner et mesurer un même mode vibratoire prédéterminé de la plaque qui les porte.
On se réfère à la figure 2 représentant le schéma de principe d'un capteur- actionneur 1 unitaire selon l'invention. Un capteur-actionneur 1 comporte un actionneur électromécanique 2 (de type piézoélectrique ou électromécanique ou autre) et un capteur 3 de déformation ou de vitesse vibratoire (du même type que les exemples cités plus haut par exemple) fixés tous deux sur ladite première face 4a de la plaque 4 de manière à créer sur une seconde face 4b de la plaque 4 opposée à ladite première face 4a une vibration générant un effet haptique perceptible par un doigt ou un stylet d'un utilisateur posé sur la seconde face 4b de la plaque.
Selon l'invention, l'actionneur 2 et le capteur 3 sont co-localisés sur une face 4a d'une plaque vibrante 4, c'est à dire que la mesure par le capteur 3 est très proche de l'endroit où s'applique l'actionnement par l'actionneur 2. Par « plaque » dans le cadre de la présente invention, on entend une feuille de matière quelconque, rigide, pleine, et d'épaisseur faible par rapport à ses autres dimensions.
De préférence, la distance entre le capteur 3 et l'actionneur 2 est inférieure à la demie longueur d'onde de la vibration selon la plus faible fréquence de résonance à laquelle l'actionneur doit actionner ladite plaque 4.
Cet ensemble capteur-actionneur 1 est attaché à une structure vibrante, représentée ici sous la forme d'une plaque ou dalle vibrante 4. La fixation du capteur 3 et de l'actionneur 2 sur une face 4a de la plaque 4 se fait par exemple par collage. La taille de l'ensemble capteur-actionneur 1 doit être suffisamment grande pour assurer les fonctions d'actionnement et de mesure, mais suffisamment petite pour pouvoir exciter les modes vibratoires de petite longueur d'onde. A titre d'exemple, la taille maximale de l'actionneur 2 (à savoir sa longueur dans le cas d'un actionneur rectangulaire) est comprise entre 2 et 25 mm, de façon à assurer les fonctions d'actionnement et de mesure tout en étant suffisamment petite pour pouvoir exciter les modes vibratoires de fréquence élevée et donc de petite longueur d'onde. On s'intéresse typiquement à des fréquences d'actionnement dans un domaine ultrasonique compris entre 20 kHz et 200 kHz.
Chaque capteur-actionneur 1 du dispositif est contrôlé par un processeur 5 de signal numérique (encore noté DSP, acronyme pour « Digital Signal Processor » en terminologie anglo-saxonne) qui reçoit en entrée le signal issu du capteur 3 et délivre en sortie un signal de commande à un convertisseur de tension 6 continu/alternatif afin d'asservir localement l'amplitude vibratoire à une valeur de consigne. Dans une implémentation envisagée, on peut utiliser un contrôle de la vibration dans un repère tournant, comme cela est expliqué dans l'article (2) cité plus haut. Dans l'idéal, le processeur DSP 5 et le convertisseur de tension 6 sont également très proches du capteur 3 et de l'actionneur 2. Mais dans la réalité ils doivent être à une certaine distance car ils ne doivent pas gêner la vibration de la plaque vibrante 4.
On se réfère à la figure 3 qui représente le schéma interne du processeur DSP 5 qui contrôle chacun des capteurs-actionneurs 1. Le bloc en trait pointillé représente une boucle de travail à fréquence élevée, par exemple la fréquence de 1 Mhz donnée par une horloge 7. Le reste des blocs travaille à plus faible fréquence.
W(t) est la mesure issue du capteur 3. C'est une tension alternative à priori sinusoïdale qui peut être analogue à la vitesse vibratoire ou au déplacement de la surface 4 au voisinage de l'actionneur 2. La tension de sortie destinée à être délivrée à un capteur-actionneur 1 est notée Vin(t) . Elle est aussi alternative sinusoïdale.
Il n'est pas facile de contrôler une grandeur alternative sinusoïdale à fréquence élevée, comme w(t). C'est pourquoi, après un étage de conversion analogique/numérique par un convertisseur analogique-numérique 8 (noté ADC dans la figure 3, acronyme pour « Analog to Digital Converter » en terminologie anglo- saxonne), la mesure w(t) est d'abord démodulée par une porteuse à la pulsation w (une telle démodulation s'appelle parfois Rotation dans les systèmes mécatroniques). En sortie du démodulateur 9, on retrouve deux grandeurs Ud et Uq. En régime permanent, Ud et Uq sont constantes, c'est pourquoi il est plus simple de contrôler Ud et Uq plutôt que de contrôler w(t) directement. L'étage de démodulation 9 réalise :
[Math 1] Ud = (N/T)j(NT)W(t) x œs(cot)dt et Uq = (N/T)j(NT)W(t) x sin(cot)dt où T=2p/w est la période de la vibration et N un entier, qui traduit l'horizon de calcul de Ud et Uq.
Les valeurs de Ud et Uq sont alors comparées à l'intérieur d'un bloc 10 VCM (acronyme pour « Vector Control Method » ou Commande Vectorielle) à des valeurs de référence Udref et Uqref, et des correcteurs à l'intérieur du bloc VCM réalisent l'asservissement de la valeur de tension en fournissant des valeurs de réglage de la tension d'alimentation Vn(t), notées Vd et Vq.
Les valeurs de réglage de tension Vd et Vq sont transmises à un modulateur 11 (qui s'appelle également Rotation Inverse). La tension V,n(t) est alors calculée par : [Math 2] Vin(t) = VdSin(cot) - Vqcos(cot)
Puisque les signaux sin(cot) et cos(cot) sont générés à l'intérieur d'un même microprocesseur, la porteuse de la démodulation est forcément synchrone et possède la même pulsation que la vibration, puisque celle-ci est générée à partir de la tension v(t).
Ces signaux œs(cot) et sin(cot) sont générés à partir d'une synthèse directe DDS 12 (DDS étant un acronyme pour « Direct Digital Synthesis » en terminologie anglo- saxonne). Dans un bloc DDS, une minuterie (notée « Timer ») génère une horloge à période fixe Te, bien inférieure à la période du mode de vibration contrôlé (par exemple Te=l psec). A chaque pas d'horloge, un compteur C de Ne bits (par exemple N=32) est incrémenté d'une valeur notée DQ. Au bout d'un certain temps, le compteur va déborder. Ce temps se calcule par : T = (DQ/2N) Te.
Par principe, ce temps T sera égal à la période de vibration du mode considéré, donc de la fréquence de résonance considérée.
En effet, les Ns bits de poids le plus fort du compteur C servent d'adresse à une mémoire ROM contenant les valeurs de la fonction sinus. Par décalage, on trouve également les valeurs de cosinus pour le même instant. Les changements de fréquence de vibration sont effectués en modifiant la valeur de DQ.
Dans un certain mode de fonctionnement, appelé « suivi de la fréquence de résonance », on cherche à exciter le mode vibratoire exactement à la fréquence de résonance de l'actionneur, malgré les éventuelles variations de celle-ci. La valeur de Vq est systématiquement imposée à 0 par le bloc VCM. Alors, l'évolution de Ud et de Uq lorsque Vd est fixe et que w (co=2nf) est variable, se fait selon un cercle particulier, comme représenté en figure 4.
En effet, à la fréquence de résonance du mode considéré (w=w0), Uq=0. Ainsi, il n'est pas nécessaire de connaître précisément la valeur de la fréquence de résonance du mode, puisqu'elle s'identifie grâce à la valeur de Uq. Alors, un algorithme de suivi de fréquence peut être associé (il peut être introduit dans le VCM) afin de suivre la fréquence de résonance. Dans un autre mode de fonctionnement appelé « mode synchrone », la fréquence de travail est imposée (par exemple, par un processeur maître comme décrit plus loin). Alors, la valeur de Vq n'est pas nulle, mais une boucle d'asservissement du bloc VCM est utilisée pour imposer Uq à une valeur particulière, par exemple 0.
Enfin, chaque capteur-actionneur 1 possède en plus une alimentation électrique 13, capable d'amplifier la tension Vin, tout en assurant l'adaptation d'impédance. Par exemple, un bras de pont comme celui schématisé en figure 5 peut être utilisé. Une tension de bus notée HV est découpée par la méthode de la modulation de largeur d'impulsion par deux transistors 14. Une inductance 15 filtre le contenu harmonique tout en assurant l'alternance des sources. Par exemple, l'actionneur piézoélectrique est capacitif. Si on le connecte à une source de tension, cela génère des courants transitoires énormes. Pour éviter cela, on s'arrange pour intercaler une source de courant, pour se conformer à la règle d'alternance des sources comme connu en électronique de puissance. Éventuellement, un asservissement en boucle fermée de la tension peut être mis en œuvre au niveau du processeur DSP 5 de chaque capteur- actionneur 1 unitaire.
La figure 6 représente un schéma d'un système 16 utilisant une pluralité de capteurs-actionneurs 1 unitaires tels que décrits précédemment, ce qui permet d'alimenter et de contrôler un ensemble d'actionneurs électromécaniques répartis sur un résonateur, par exemple une interface tactile 4.
Le dispositif 16 est hiérarchisé comme représenté sur la figure 6. Il comporte un processeur principal 17 qui joue le rôle de maître coordonnant les processeurs 5 des différents capteurs-actionneurs unitaires 1 qui jouent le rôle de processeurs esclaves. Le processeur maître 17 a des capacités de calcul adaptées, mais il n'est pas nécessairement très rapide, et ne requiert pas de périphériques spécialisés. Son coût est de ce fait limité. Les capteur-actionneurs 1 esclaves sont en nombre variable. Ce nombre est déterminé par l'utilisateur en fonction de la plaque 4 à actionner et des modes vibratoires à maîtriser.
La communication entre les différents éléments est assurée via une communication en réseau 18 sur un ou deux fils (du type I2C ou SPI par exemple). La communication entre le processeur maître 17 et les processeurs esclaves 5 peut être relativement lente comparée à une structure à processeur unique conforme à l'état de la technique. Elle est utilisée pour les opérations d'administration peu exigeantes en bande passante telles que la structuration du réseau de capteurs-actionneurs 1, l'assignation des processeurs esclaves 5, la transmission des valeurs de consigne, la synchronisation, le diagnostic du système, ou l'interfaçage vers des dispositifs externes (non représentés). Ces opérations sont décrites plus en détail ci-dessous.
Structuration du réseau : le processeur maître 17 exécute un algorithme d'auto-adressage par lequel il établit automatiquement la cartographie du réseau de capteur-actionneurs 1.
Assignation des processeurs esclaves 5 : en se basant sur une connaissance à priori de la disposition des capteurs-actionneurs unitaires 1 sur la structure 4 à faire vibrer, le processeur maître 17 transmet aux processeurs esclaves 5 les paramètres de travail (concrètement les données nécessaires au contrôle d'un ou de plusieurs mode(s) vibratoire(s), telles que la ou les fréquence(s) de résonance, les amortissement(s), gains, paramètres du ou des contrôleur(s)).
Définition et transmission des valeurs de consigne : par la décomposition modale, les références pour chaque mode sont calculées en fonction de la répartition spatiale de déplacement, vitesse ou accélération nécessaire à l'effet recherché sur la surface 4 à actionner (contrôle de vibrations, focalisation). Les références, exprimées dans le repère tournant décrit plus haut (figure 4), correspondent aux enveloppes des trajectoires réelles. Au niveau d'un capteur-actionneur 1 donné, elle(s) sera(ont) modulées par les capteur-actionneurs en fonction des fréquences de résonance qui leur ont été signifiées durant la phase d'initialisation du réseau. Ceci permet de minimiser les besoins de communication, car le nombre de points permettant de décrire l'enveloppe est inférieur à celui nécessaire pour décrire un signal modulé à fréquence ultrasonore. En effet, l'enveloppe d'un signal sinusoïdal représente par exemple l'évolution de l'amplitude crête au cours du temps. Comme l'évolution de l'amplitude est plus lente que le signal sinusoïdal, il faut moins de points par seconde pour la décrire, que pour le signal lui-même.
Synchronisation : pour des applications de type vibration focalisée, les déphasages entre les différentes modulations sont critiques. Le processeur maître 17, une fois que les processeurs esclaves 5 ont été initialisés, assure le déclenchement simultané de l'exécution des consignes par un « mot » transmis sur le canal de communication.
Diagnostic : sur interrogation du processeur maître 17, un processeur esclave 5 fait remonter au processeur maître les éléments nécessaires (tensions Vd, Vq, vitesse Ud Uq par exemple) à un diagnostic de fonctionnement. Sur la base de ces données, le processeur maître 17 recale les caractéristiques du système à partir par exemple d'un modèle interne de la structure. Le recalage permet d'ajuster les paramètres dynamiques et éventuellement de rectifier le paramétrage des capteurs- actionneurs individuels 1 si nécessaire.
Interfaçage : le processeur maître 17 est capable de communiquer avec un dispositif plus évolué (ordinateur, tablette électronique). Cela permet de disposer d'outils de haut niveau pour assister l'utilisateur dans la phase de description de la structure à actionner, de la cartographie de la disposition des capteurs-actionneurs, du paramétrage du modèle interne, à savoir un ensemble d'équations qui décrivent par exemple les modes de vibrations (déformations modales). On peut rentrer les paramètres de ces équations par la liaison série. Les consignes réelles sont transmises par ce moyen (le processeur maître 17 étant chargé ensuite de la projection dans la base modale, c'est-à-dire qu'à partir d'une déformation de référence que l'on souhaite, on calcule à partir d'algorithmes de produit scalaire les amplitudes pour chaque mode vibratoire. Le processeur maître 17 peut remonter les données recueillies auprès des processeurs esclaves 5 pour permettre leur post-traitement par l'utilisateur.
AVANTAGES DE L'INVENTION
L'invention répond aux buts fixés et permet de résoudre les problèmes identifiés avec les actionneurs conformes à l'état de la technique.
En particulier, la structure de chaque capteur-actionneur individuel 1 combinée avec une commande par un processeur maître 17 permet de simplifier la connectique et de partager l'alimentation électrique des actionneurs (souvent haute tension) et le réseau de communication, tout en évitant les diaphonies inter câble. La synchronisation des capteurs-actionneurs unitaires 1 est assurée par le lien de communication et par la stabilité des Quartz des processeurs locaux 5. Les capteurs-actionneurs unitaires 1 peuvent être utilisés en réseau sur plusieurs structures, le processeur maître 17 fournissant des références de tension adaptées à l'application, ce qui permet une grande polyvalence d'utilisation.
La commande en boucle fermée permet de s'adapter aux variations paramétriques dues aux changements de conditions environnementales, de sorte que le fonctionnement du dispositif est robuste.
On sait que le problème du contrôle de la vibration non co-localisée avec le capteur est que la phase relative entre l'actionnement et le signal mesuré par le capteur change selon le mode. Ainsi actionneur et capteur peuvent être en phase pour un mode et en opposition pour un mode voisin. Par conséquent en boucle fermée, la boucle stable pour un mode peut être potentiellement déstabilisée par le mode voisin en raison du changement de signe dans la rétroaction.
La co-localisation du capteur et de l'actionneur tel que décrit plus haut permet de supprimer ce défaut.
Par ailleurs, le fait pour un capteur-actionneur d'avoir un lien logique qui remonte au processeur maître permet que tous les capteurs-actionneurs soient synchronisés. En outre, le processeur maître n'a besoin que d'une communication basse fréquence avec les processeurs esclaves qui eux travaillent localement à une fréquence plus élevée, ce qui évite d'avoir à surdimensionner le processeur maître.

Claims

REVENDICATIONS
1. Capteur-actionneur unitaire (1), destiné à être fixé sur une première face (4a) d'une plaque (4) à actionner selon au moins un mode vibratoire prédéterminé de la plaque, ledit capteur-actionneur unitaire (1) comportant un actionneur électromécanique (2) et un capteur (3) de déformation ou de vitesse vibratoire fixés tous deux sur ladite première face (4a) de la plaque (4) de manière à créer sur une seconde face (4b) de la plaque (4) opposée à ladite première face (4a) une vibration générant un effet haptique perceptible par un doigt ou un stylet d'un utilisateur, caractérisé en ce que l'actionneur (2) et le capteur (3) sont fixés côte à côte sur ladite première face (4a) et sont séparés d'une distance inférieure ou égale à la demie longueur d'onde de la vibration à la plus faible fréquence de résonance à laquelle l'actionneur (2) doit actionner ladite plaque (4), de façon que l'actionneur (2) et le capteur (3) puissent respectivement actionner et mesurer un même mode vibratoire prédéterminé de la plaque (4).
2. Capteur-actionneur (1) selon la revendication 1, utilisé avec un mode vibratoire unique, caractérisé en ce que la distance entre le capteur (3) et l'actionneur (2) sur ladite première face (4a) est égale à un multiple de la demi longeur d'onde dudit mode vibratoire unique.
3. Capteur-actionneur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caratérisé en ce que l'actionneur électromécanique (2) est un actionneur piézoélectrique.
4. Capteur-actionneur (1) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que sa taille maximale est comprise entre 2 et 25 mm, de façon à assurer les fonctions d'actionnement et de mesure tout en étant suffisamment petite pour pouvoir exciter les modes vibratoires des plus petites longueurs d'ondes dans une gamme de fréquence vibratoire ultrasonique comprise entre 20 kHz et 200 kHz.
5. Capteur-actionneur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le capteur (3) est agencé pour fournir un signal de mesure w(t) à un processeur (5) associé au capteur-actionneur (1), et en ce que ledit processeur (5) est agencé pour calculer la valeur notée Vin(t) de la tension d'alimentation à délivrer à l'actionneur (2).
6. Capteur-actionneur (1) selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte un convertisseur de tension (6) continue vers alternative commandé par ledit processeur (5) associé au capteur-actionneur (1).
7. Capteur-actionneur (1) selon la revendication 6, caractérisé en ce que la valeur de la tension d'alimentation Vin(t) est asservie par ledit processeur numérique (5) à la valeur instantanée du signal de mesure w(t) délivré par le capteur (3).
8. Dispositif tactile (16) comportant une plaque vibrante (4), caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble de capteurs-actionneurs unitaires (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, répartis et fixés sur une face (4a) de la plaque vibrante (4).
9. Dispositif tactile (16) selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte un processeur maître (17) connecté en parallèle à une entrée de chacun des processeurs esclaves (5) des capteurs-actionneurs unitaires (1), de façon à pouvoir dissocier les signaux de contrôle des différents actionneurs (2).
10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le processeur maître (17) est configuré pour envoyer à chaque processeur esclave (5) une information de synchronisation à une fréquence inférieure à la fréquence de vibration des capteurs (2).
11. Dispositif selon l'une des revendications 9 à 10, caractérisé en ce que le processeur maître (17) est configuré pour exécuter pendant une phase d'initialisation un algorithme d'auto-adressage de manière à établir automatiquement la cartographie du réseau de capteurs- actionneurs (1) sur la plaque (4) à actionner.
12. Dispositif selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que le processeur maître (17) est configuré pour transmettre aux processeurs esclaves (5) les paramètres de travail, à savoir les données nécessaires au contrôle d'un ou de plusieurs mode(s) vibratoire(s).
13. Dispositif selon l'une des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que le processeur maître (17) est configuré pour transmettre aux processeurs esclaves (5) des valeurs de consigne de tension pour chaque mode vibratoire, en fonction de la répartition spatiale des capteurs-actionneurs (1), des fréquences de résonance attribuées aux différents capteurs-actionneurs (1) pendant la phase d'initialisation, et en fonction de l'effet recherché sur la surface (8) de la plaque (4) à actionner.
14. Dispositif selon l'une des revendications 9 à 13, caractérisé en ce que le processeur maître (17) est configuré pour, pendant une phase de diagnostic, interroger les processeurs esclaves (5) pour obtenir leurs paramètres de fonctionnement et pour rectifier le paramétrage des capteurs-actionneurs (1) individuels si nécessaire.
15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 à 14, caractérisé en ce que le processeur maître (17) est configuré pour, pendant une phase d'interfaçage, communiquer à un dispositif de traitement externe les données recueillies auprès des processeurs esclaves (5) afin de permettre leur post-traitement.
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