EP4402668A1 - Dispositif a surface reconfigurable, notamment afficheur pour afficher des caracteres braille - Google Patents

Dispositif a surface reconfigurable, notamment afficheur pour afficher des caracteres braille

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Publication number
EP4402668A1
EP4402668A1 EP22783540.2A EP22783540A EP4402668A1 EP 4402668 A1 EP4402668 A1 EP 4402668A1 EP 22783540 A EP22783540 A EP 22783540A EP 4402668 A1 EP4402668 A1 EP 4402668A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pin
waveguide plate
pins
plate
waveguide
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
EP22783540.2A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Charles HUDIN
Moustapha Hafez
Nicolas Hehn
Sabrina PANËELS
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.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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 Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP4402668A1 publication Critical patent/EP4402668A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09B—EDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
    • G09B21/00—Teaching, or communicating with, the blind, deaf or mute
    • G09B21/001—Teaching or communicating with blind persons
    • G09B21/003—Teaching or communicating with blind persons using tactile presentation of the information, e.g. Braille displays
    • G09B21/004—Details of particular tactile cells, e.g. electro-mechanical or mechanical layout
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; 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

Definitions

  • the present invention relates to a device with a reconfigurable surface, in particular a touch-sensitive display, in particular for displaying Braille characters, having a reduced size.
  • Each Braille character is represented by a Braille cell that can have 1 to 6 dots.
  • a Braille display is made up of several hundred pins with a diameter of around 1.5 mm and a distance of around 2.5 mm.
  • the typical height of a Braille dot is around 0.5 mm.
  • the holding force of a barb is around 0.15 N.
  • the electric current required to activate a pin is relatively high, of the order of 0.7 A, which limits the number of pins that can be actuated simultaneously.
  • the current required can be reduced by increasing the size of the magnets, which reduces the density of actuators and therefore of pins.
  • maintaining in position requires a continuous power supply to the coils, which is very energy-consuming. It is proposed to add locking devices but these are not described, and in any case the addition of such devices would be cumbersome, complex to implement and would increase the time to pass the pin of a state to another.
  • a device with a reconfigurable surface comprising at least one pin mounted to slide through a plate, said pin being capable of assuming at least two positions, and at least one actuator for causing the pin to pass at least d one position to another, means for holding each pin in one of its positions, a plate forming a waveguide interacting with said pin, and a control unit configured to control said at least one actuator in using the method of wave focusing by time reversal, so that it generates a wave in the waveguide localized at the level of the pin, which causes the appearance of an out-of-plane pulse in the waveguide and moving said spike so as to pass it from one position to the other.
  • the actuator can be moved away from the pin, in particular it is no longer necessary for it to be aligned with the latter in the vertical direction as is the case in the devices of the state of the art.
  • the holding means are bistable, which makes it possible not to require energy to hold the bar in one or the other of the positions.
  • the bistable holding means are of the magnetic type, the energy delivered by the actuator is sufficient to move the pin from one stable position to another.
  • each pin carries a magnet.
  • the bistable holding means are mechanical.
  • the holding means are of the electrostatic type.
  • the inventors thought of associating the principle of time reversal and a system for maintaining position, the wave generated by time reversal is focused in one or more zones forming a source of mechanical energy giving the impulse change of state and the change of state is assisted and confirmed by the holding means.
  • the present invention is all the more advantageous when several pins and several actuators are implemented.
  • the actuators can be arranged at a distance from the pins, for example they can be arranged on the edge of the waveguide.
  • a number of actuators less than the number of pins is advantageously implemented.
  • the size of the actuating means are reduced compared to the devices of the state of the art.
  • the pins are activated remotely and several pins can be activated simultaneously.
  • the device with a reconfigurable surface forms a tactile display, in particular a display of Braille characters.
  • An object of the present application is then a reconfigurable surface device comprising a reconfigurable surface provided with m holes, m being a positive integer at least equal to 1, a plate forming a waveguide, called a waveguide plate, m pins , each pin being slidably mounted in a bore of the reconfigurable surface in a direction orthogonal to the waveguide plate, and capable of assuming a first stable position and a second stable position, at least in the second position, one end of the pin protruding from the reconfigurable surface, at the at least one actuator fixed to the waveguide plate capable of causing an out-of-plane displacement of the waveguide plate, and a control unit configured to control said at least one actuator according to the method of wave focusing by reversal temporal, so that said actuator generates a wave in the waveguide plate located at the level of the at least one pin, which generates a pulse in the waveguide plate and causes said pin to move so as to make it pass to the least from the first position to the second position,
  • the holding means are bistable holding means configured so that said pulse causes the transition from one stable state to the other stable state.
  • the bistable holding means are such that they exert a return force maintaining the pin in the first position and a return force maintaining the pin in the second position.
  • the waveguide plate is provided with m holes, each hole in the waveguide plate being aligned with a hole in the reconfigurable surface, each pin being slidably mounted in a hole in the reconfigurable surface and a hole in the plate waveguide.
  • the spike comprises a first shoulder configured to bear against the waveguide plate in the first position and a second shoulder configured to bear against the waveguide plate in the second position.
  • the bistable holding means comprise either at least one magnet secured to the pin and a waveguide plate made of ferromagnetic material, or at least one magnet secured to the waveguide plate and an element made of ferromagnetic material. ferromagnetic integral with the pin.
  • the first and second shoulders can be carried by permanent magnets and the waveguide plate is made of ferromagnetic material.
  • the first and second shoulders are carried by elements made of material ferromagnetic and the waveguide plate carries permanent magnets or is a permanent magnet.
  • the bistable holding means are mechanical.
  • the holding means are electrostatic, at least the second shoulder forming an electrode and the plate carrying the reconfigurable surface forms an electrode.
  • said at least one actuator is able to generate bending waves or Lamb waves in the waveguide plate.
  • the reconfigurable surface device comprises several actuators distributed over the edges of the waveguide plate.
  • Another object of the present application is a touch-sensitive display comprising a device with a reconfigurable surface according to the invention, in which the reconfigurable surface is a touch-sensitive display surface and the device comprises a plurality of pins.
  • the pins when they are in their second position, do not protrude from the display surface, said display forming a Braille area.
  • Another object of the present application is a touch display method on a touch display according to the invention, comprising several pins, said method comprising:
  • Figure 1 is a schematic representation of a longitudinal sectional view of an embodiment of a reconfigurable surface device according to a first embodiment
  • Figure 2 is a top view of a waveguide plate provided with actuators that can be implemented in the present invention
  • Figure 3A is a graphical representation of the potential energy in mJ of a pin of the device of Figure 1 as a function of its position in the Z direction,
  • Figure 3B is a graphical representation of the restoring force in N applied to a pin of the device of Figure 1 as a function of its position in the Z direction,
  • Figure 4 is a schematic representation of a view in longitudinal section of another embodiment of a touch display according to the first embodiment
  • Figure 5 is a schematic representation of a view in longitudinal section of another embodiment of a reconfigurable surface device according to the first embodiment
  • Figure 6 is a schematic representation of a view in longitudinal section of another embodiment of a reconfigurable surface device according to the first embodiment
  • Figure 7 is a schematic representation of a view in longitudinal section of another embodiment of a reconfigurable surface device according to the first embodiment
  • Figure 8 is a schematic representation of a view in longitudinal section of another embodiment of a reconfigurable surface device according to the first embodiment
  • Figure 9 is a schematic representation of a view in longitudinal section of another embodiment of a reconfigurable surface device according to the first embodiment
  • Figure 10 is a schematic representation of a view in longitudinal section of an embodiment of a reconfigurable surface device according to a second embodiment
  • FIG. 11A is a schematic representation of a view in longitudinal section of an exemplary embodiment of a reconfigurable surface device according to a third embodiment
  • Figure 11B is a schematic representation of a variant of the device of Figure 11A.
  • Figure 12 is a transcription of the letter d in Braille
  • Figure 13 is a schematic representation of a view in longitudinal section of a variant of the device of Figure 1.
  • the following description will relate more particularly to a touch display, in particular a touch display forming a Braille display, but the present application relates more generally to a device with a reconfigurable surface as will be described below.
  • touch display according to the invention can be used to display images or any other content by touch.
  • the display comprises a display surface 2 or reading surface carried by a plate 4.
  • the display has a rectangular shape but this shape is not limiting and any other shape such as circular or oval, or any other form does not depart from the scope of the present invention.
  • Plate 4 has a plurality of holes 6 normal to plate 4.
  • the display has pins 8, each pin 8 being slidably mounted in a hole 6 along a direction Z normal to plate 4.
  • the display also comprises a waveguide (FIG. 2) formed by a plate 10 of ferromagnetic material pierced with as many holes 12 as holes 6, each hole 12 being aligned with a hole 6 in the Z direction.
  • Each pin 8 is slidably mounted both in a hole 6 and in a hole 12.
  • each pin 8 is configured to take two stable positions, a first position called the low position, in which the pin does not project from the reading surface, and a second position called the high position, in which the pin projects. of the reading surface.
  • the plate 10 has in the example shown and preferably the same external dimensions as the plate 4.
  • the display comprises at least one actuator Al, preferably several actuators Al, A2, A3...An fixed on the waveguide.
  • the actuators are fixed along the edges of the waveguide plate, which makes it possible to leave the entire central zone free for the pins.
  • the actuators are not arranged on the axes of symmetry of the waveguide plate, which is favorable to obtaining precise focusing of the waves.
  • the actuators can be piezoelectric actuators, for example made of piezoelectric ceramic.
  • the actuators are electromagnetic.
  • the actuators are such that they are able to generate waves causing an out-of-plane displacement of the waveguide, typically these are bending waves or Lamb waves, for example the Lamb mode AO.
  • the display also comprises a control unit UC configured to control the actuators so that they focus the waves generated at given points by the method of focusing by time reversal, the principle of which is described in the document C. Hudin, J. Lozada, and V. Hayward, 'Localized Tactile Feedback on a Transparent Surface through Time-Reversal Wave Focusing', IEEE Transactions on Haptics, vol. 8, no. 2, p. 188-198, Apr. 2015.
  • the control unit is connected to the actuators for example by electric wires.
  • each actuator is driven with a signal corresponding to the impulse response between this actuator and the focal point.
  • the principle of wave time reversal is based on the invariance of the wave propagation equation by time reversal and on the principle of reciprocity.
  • the displacement is thus the result of the integral of the product of two functions which are a priori not correlated, the result of which is therefore of zero mean.
  • the contrast is defined as the ratio between the displacement at the focal point at time T and the standard deviation of this displacement at any point b. It is obtained by the relation:
  • T the duration of the reversal window
  • T the vibration attenuation time constant in the plate
  • T c the characteristic time of the plate or modal density of the plate in seconds, or mode clean by Hz
  • B fmax ⁇ fmtn the bandwidth, in hertz, of the signals emitted by the actuators.
  • the successive focusings are repeated with a period T r > T.
  • the average frequency of the signals defines the maximum resolution achievable by the relationship:
  • a database of the impulse responses returned at different points or areas of the surface located under the pins is then produced by calibration, this database is used to generate the signals sent to the actuators. It may be envisaged not to produce a database of the points under all the pins, and to determine the impulse responses between the points of the database, for example by interpolation, which makes it possible to reduce the time for carrying out the database and its size.
  • the amplitude of the pulse under each pin depends on the effective driving voltage and the number of pins actuated simultaneously. A high power makes it possible to switch several pins simultaneously.
  • the focusing task can be larger than the section of a pin, but the maximum speed of movement of the waveguide plate is located under the pin to be activated, only this pin will be activated. The velocity of the waveguide plate outside the maximum velocity region decreases rapidly. For a spatial resolution equal to twice the distance between two pins, the pins adjacent to the pin to be activated have a speed of the order of 50% of the speed of the pin to be activated. They are then not activated.
  • the waveguide plate can be such as to favor the chaotic nature of wave propagation in the plate by giving it a complex geometry combining straight edges and curved edges, avoiding axes of symmetry and maintaining the plate unevenly.
  • actuators Al, . . . An are controlled to focus the waves which they generate in the waveguide at the level of the holes 12 in which the pins are mounted.
  • Actuators can focus their waves at one or more points on the waveguide.
  • the control unit generates its commands to the actuators on the basis of a digital display content, for example a page of a book. It translates this content into pins to be actuated and into pulse locations to be generated in the waveguide plate.
  • the pins 8 are configured to be sensitive to localized out-of-plane movements caused by the control of the actuators.
  • the pins 8 are all of similar structure, a single pin will be described in detail.
  • the pin 8 comprises a permanent magnet 14 of cylindrical shape of revolution of diameter such that it slides in the bore 12 and is guided by the latter.
  • the axis of the magnet is oriented in the Z direction.
  • the poles of the magnet are located at the longitudinal ends of the magnet.
  • the spike 8 also has a first shoulder 16 and a second shoulder 18, the shoulders 16, 18 being located on either side of the waveguide plate 10.
  • the first shoulder 16 is oriented so that it is resting on a first face of the waveguide facing the plate 4 when the pin is in its first position.
  • the second shoulder 18 is oriented so that it rests on a second face of the waveguide opposite the first face, when the pin is in its second position.
  • pin 8 has an end 8.1 intended to project from the reading surface.
  • the bore 6 has a diameter smaller than that of the bore 12, the diameter of the end 8.1 is smaller than that of the magnet.
  • the end 8.1 of the pin and the magnet have the same diameter.
  • first shoulder 16 and the second shoulder 18 are attached to the longitudinal ends of the magnet.
  • Az corresponds to the displacement along Z of the pin between the low and high positions.
  • the positions of the first and second shoulders are non-equilibrium positions PHE1, PHE2 such that the restoring force exerted by the magnet on the pin presses the first shoulder 16 or the second shoulder 18 on the first face or the second face of the waveguide 10 respectively.
  • the energy required to pass from one state to the other designated AE in FIG. 3A, is therefore lower.
  • the restoring force F in N generated by the magnet can be seen represented as a function of the position of the magnet along the direction Z in mm.
  • the first shoulder 16 or the second shoulder 18 is pressed against the first or the second face of the waveguide 10 respectively.
  • the pin 8 in the low position the pin 8 is at a position z of approximately ⁇ 1.7 mm and the magnet exerts a return force of approximately ⁇ 3.2 N. In the high position, the pin 8 is at a position z of approximately 1.7 mm and the magnet exerts a restoring force of approximately 3.2 N.
  • the passage from one stable position to another is obtained by the kinetic energy provided by the impulse of the out-of-plane deformation of the waves focused in the waveguide under the pin concerned.
  • the kinetic energy transmitted is determined so as to be greater than the potential barrier AFbetween the two positions of the pin.
  • the control unit UC controls the actuators so as to focus the waves on one or more zones of the waveguide located under the pins.
  • control unit UC controls the actuators so that they generate a pulse directed upwards or downwards to cause the pin to pass from a high position to a low position and vice versa.
  • the cooperation of the magnet and the ferromagnetic plate forms bistable holding means which ensure holding in position without supplying energy, which is particularly suitable for a portable touch display.
  • the invention allows a refresh rate compatible with the Braille display.
  • the focusing time is of the order of a few milliseconds.
  • the bistable system is for example dimensioned to obtain an extrusion Az of the pin between about 0.5 mm and about 1 mm and a holding force of the order of 0.15 N.
  • the center distance between two adjacent dots is of the order of 2.7 mm
  • the distance between the axes of two pins is then chosen of the order of 2.7 mm. Thanks to the invention, since the actuators are not under each pin, such a relative arrangement of the pins is easily attainable.
  • the present invention can be applied to the display of other elements, for example contours or images, in this case the distances between pins can be greater or lesser. It may be envisaged to produce a touch display comprising pins whose center distance is 1.3 mm. When images are displayed, all or part of the pins can be activated and when characters are to be displayed, one pin out of two is activated to find the display standards for Braille writing.
  • Actuation by focusing by time reversal makes it possible to actuate the desired pin(s) without affecting the others. So in the case of a Braille writing each of the six pins of a character can be activated independently without the risk of accidentally activating a neighboring pin.
  • any pin can be activated remotely from a reduced set of actuators.
  • the number of actuators is independent of the number of points of the matrix of pins, nevertheless this number is linked to the power necessary for the actuation of a pin and to the desired refresh rate. It is conceivable to produce a device with a single actuator and several pins.
  • FIGS. 4 to 11 various displays can be seen represented comprising at least two pins, one of the pins being in the low position and the other pin being in the high position.
  • FIG. 4 another example of a touch display according to the first embodiment can be seen.
  • the single permanent magnet 14 of each pin 108 is replaced by two magnets 114.1, 114.2 separated by an element of non-magnetic material 115.
  • the magnet 114.1 is in contact with the first shoulder 116
  • the magnet 114.2 is in contact with the second shoulder 118.
  • the mass of the pins is thus reduced, which reduces the activation energy compared to the display of figure 1.
  • the operation is similar to that of the display of figure 1.
  • the restoring force is exerted either mainly between the magnet 114.1 and the waveguide plate 110, or mainly between the magnet 114.2 and the waveguide plate 110.
  • FIG. 5 another example of a display can be seen according to the first embodiment, in which the pins 208.1, 208.2 each comprise two magnets, 214.1, 214.2, one 214.1 being placed between the waveguide 210 ferromagnetic and the plate carrying the reading surface 204, the other 214.2 being located on the other side of the waveguide plate 210.
  • the magnets are for example ring-shaped.
  • wedges 215.1, 215.2 of non-magnetic material are in contact with the face of each magnet oriented towards a face of the waveguide plate 210, which makes it possible to reduce the force of attraction between each magnet and the ferromagnetic plate. A barb without a wedge or with only a wedge does not go beyond the scope of this application.
  • Each pin 308 comprises a rod 320 slidably mounted in the waveguide plate. wave and in the plate 304.
  • Each rod has transverse extensions 322, 324 carrying the first and second shoulders. The transverse extensions are made of ferromagnetic material.
  • the waveguide plate 310 carries magnets for each pin 308
  • the waveguide plate can be made of a material other than a ferromagnetic material.
  • FIG. 7 another embodiment of a touch display according to the first embodiment can be seen.
  • the magnet 414 is carried by the pin 408 and is located at the longitudinal end of the pin located opposite the end intended to project from the reading surface.
  • the display comprises, in addition to the plate carrying the reading surface and the waveguide plate 410, a ferromagnetic structure 426 parallel to the waveguide plate and located opposite the plate 404 by relative to the waveguide plate 410.
  • the ferromagnetic structure 426 comprises two ferromagnetic plates 428 separated by a non-magnetic material 430.
  • the structure comprises holes 432 aligned with the holes 412 of the waveguide plate 410 and in each of which is slidably mounted the end of a pin comprising the magnet.
  • Each spike has two transverse extensions 422, 424.
  • the magnet 414 tends to align itself with one or the other of the ferromagnetic plates 428 and to exert a restoring force.
  • the pin 408 is in the low position, the magnet 414 is aligned with the lower plate 428, and the transverse extension 422 is pressed against the first face of the waveguide plate 410.
  • the pin 408 is moved upwards, the magnet is attracted by the ferromagnetic plate 428, the pin 408 passes is in the high position (position of the pin on the right in figure 7).
  • the waveguide plate is preferably made of a material other than a ferromagnetic material.
  • each shield has the shape of a ferromagnetic blade separating the magnets without touching the waveguide plate. These shields are used to channel the magnetic flux of the magnets so as to limit interference between them.
  • FIG. 8 one can see another embodiment of a touch display according to the first embodiment reducing the interactions between the magnets.
  • the entire waveguide 510 is made of a material forming a permanent magnet, the magnetization being oriented in the Z direction.
  • This example is similar to that of FIG. 6, in which the magnets were attached to the wave guide plate.
  • This exemplary embodiment has the advantage of eliminating the interactions between the magnets of the various bistable means.
  • transverse extension 522 of the pin 508 does not come into abutment against the plate 504 in the high position, the abutment is ensured only by the transverse extension 524.
  • the transverse extensions 522 and 524 enter in contact simultaneously with the plate 504 and the permanent magnet respectively, nevertheless this requires a rigorous adjustment.
  • the permanent magnet 614 is formed by a separate plate from the waveguide 610 and is placed opposite the plate 604 with respect to the waveguide.
  • the pins 608 include a transverse extension 624 at the longitudinal end 608.2 opposite the longitudinal end 608.1 intended to project from the display surface.
  • the transverse extension 624 is made of ferromagnetic material, so as to exert a downward restoring force.
  • the transverse extension 622 forming the first shoulder is made of non-magnetic material, which does not generate any restoring force between this shoulder and the magnet, pressing the transverse extension 622 against the upper face of the waveguide plate 610.
  • a mechanical biasing means 634 such as a coil spring, is mounted between the plate 604 and the transverse extension 622 exerting an upward biasing force, pressing the transverse extension 624 against the underside of the guide plate. wave 610.
  • the spring is sized to exert a restoring force close to that exerted between a transverse extension made of ferromagnetic material and the magnet.
  • FIG. 10 one can see another embodiment of a display according to a second embodiment in which the bistable hold is obtained by mechanical means.
  • the display includes pins 708 each having first and second shoulders carried by transverse extensions 722, 724, a waveguide plate 710 and a plate 704 carrying the reading surface.
  • the pins cross the waveguide, the two transverse extensions 722, 724 being located on either side of the waveguide plate 710, the pins also cross the plate 704.
  • the display comprises bistable holding means comprising a membrane 736 disposed between the waveguide plate 710 and the plate 704 and traversed by the pins 708.
  • the membrane is not interposed between the first shoulder and the waveguide plate.
  • the spikes are integral in movement with the membrane.
  • the membrane has regions configured to exhibit two stable states.
  • the membrane may be comprised of a plurality of curved elements 738 having two foil-like stable states.
  • Such elements 738 are described in ⁇ Asher, E. Benjamin, L. Medina, R. G Hat, and 5. Krylov, "Bistable Micro Caps Fabricated by Sheet Metal Forming", J. Micromech. Microeng., vol. 30, no. 6, p. 065002, Apr. 2020.
  • the pulse or impact delivered by the waveguide 710 causes the transition from a state having one curvature to another state having an opposite curvature.
  • the display comprises a single electrode 840 fixed under the plate 804 and individual electrodes 842 fixed to each of the pins and also forming the first shoulder and the second shoulder.
  • An electrical insulating layer 844 covers electrode 840 to prevent a short circuit between electrode 840 and one or more electrodes 842.
  • a first potential is applied to electrode 840.
  • the electrode 842 of the pin 808 which it is desired to move is placed at a second potential.
  • a mechanical impulse is exerted by the waveguide plate 810 on the pin 808 via the electrode 842 causing the upward movement of the pin whose movement is assisted by the electrostatic attraction force between the electrode 840 and electrode 842.
  • Electrode 842 comes into contact with insulating layer 844 and the pin is held in the high position by electrostatic attraction.
  • Each electrode 842 can be polarized separately, which allows individual actuation of the pins.
  • electrode 840 can be replaced with individual electrodes.
  • holding in the up position requires a power supply.
  • FIG. 11B an alternative embodiment of the display of FIG. 11A can be seen in which the waveguide plate 810′ does not include any drilling, the electrode 842 resting on the waveguide. Each pin is then guided in translation only by the hole in the plate 804. Indeed, the return to the low position being obtained by gravity, no pulse is to be transmitted by the waveguide to the pin by cooperation between a shoulder and the underside of the waveguide.
  • the time reversal focusing method is particularly effective when the propagation medium is complex, which is the case in the embodiments of FIGS. 1 to 11A, in which the waveguide plate is pierced and loaded with pins which diffract waves.
  • the low position of the pins corresponds to a completely retracted position of the pins, i.e. not protruding from the reading surface. It will be understood that a spike protruding from the display surface regardless of its position does not depart from the scope of the present invention. Furthermore, the different pins can protrude from the reading surface with different heights.
  • the device according to the invention can be used to display tactile images and not only characters in Braille writing.

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Abstract

Afficheur tactile comportant une surface d'affichage (2) munie de perçages (6), une plaque (10) guide d'onde, munie de perçages (12), des picots (8), chaque picot (8) étant monté coulissant dans un perçage (6) de la surface d'affichage (2) et un perçage (12) de la plaque guide d'onde (10) dans une direction (Z), entre une première position et une deuxième position, des actionneurs (A1) fixés à la plaque guide d'onde (10) provoquant un déplacement hors-plan de la plaque guide d'onde, et une unité de commande (UC) commandant les actionneurs (A1) selon le procédé de focalisation d'onde par retournement temporel, de sorte que les actionneurs (A1) génèrent une onde dans la plaque guide d'onde (10) localisée au niveau du ou des picots (8) à activer, qui génère une impulsion dans la plaque guide d'onde (10) et provoque déplacement du ou des picots (8) qui passe(nt) du position à l'autre, des moyens de maintien dudit picot (8) dans chacune des positions.

Description

DISPOSITIF A SURFACE RECONFIGURABLE, NOTAMMENT AFFICHEUR POUR AFFICHER
DES CARACTERES BRAILLE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE ET ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
La présente invention se rapporte à un dispositif à surface reconfigurable, notamment un afficheur tactile, notamment pour afficher des caractères Braille, présentant un encombrement réduit.
On cherche à réaliser des afficheurs tactiles capables d'afficher des caractères Braille, ce type d'afficheur est appelé « plage Braille » ou « Braille display » en terminologie anglo-saxonne.
Les personnes malvoyantes peuvent lire un texte qui a été traduit dans l'alphabet Braille, dans lequel chaque caractère est représenté dans une matrice de six points sur deux colonnes, chaque caractère étant formé par un à six points en relief. L'accès à des contenus numériques en utilisant l'alphabet Braille requiert l'utilisation d'une plage Braille qui est un objet lourd, encombrant, fragile et coûteux.
Chaque caractère Braille est représenté par une cellule Braille pouvant comporter 1 à 6 points.
Une plage Braille est constituée de plusieurs centaines de picots de diamètre de l'ordre de 1,5 mm et distant d'environ 2,5 mm. La hauteur typique d'un point Braille est de l'ordre de 0,5 mm. La force de maintien d'un picot est de l'ordre de 0,15 N.
Chaque point doit pouvoir être actionné indépendamment.
Un exemple d'un afficheur pouvant être utilisé comme plage Braille est décrit dans le document J. J. Zarate and H. Shea, "Using pot-magnets to enable stable and scalable electromagnetic tactile displays", IEEE Transactions on Haptics, 2016, pp. 1-8. Cet afficheur comporte des picots montés coulissant à travers une plaque. Chaque picot comporte un aimant et un actionneur formé par une bobine électromagnétique est disposé sous le picot. Le sens du courant circulant dans la bobine détermine le déplacement vers le haut ou vers le bas du picot. Cet afficheur requiert un actionneur par picot. L'encombrement est donc important. En outre, l'espace disponible entre les picots est limité du fait de la position relative des picots imposée dans le cas d'une plage Braille. En outre, le courant électrique requis pour activer un picot et relativement important, de l'ordre de 0,7 A, ce qui limite le nombre de picots actionnables simultanément. Le courant requis peut être réduit en augmentant la taille des aimants, ce qui réduit la densité d'actionneurs et donc de picots. En outre, le maintien en position requiert une alimentation électrique continue des bobines, ce qui est très consommateur d'énergie. Il est proposé d'ajouter des dispositifs de verrouillage mais ceux-ci ne sont pas décrits, et dans tous les cas l'ajout de tels dispositifs seraient encombrants, complexes à mettre en œuvre et augmenterait le temps pour faire passer le picot d'un état à un autre.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
C'est par conséquent un but de la présente invention d'offrir un dispositif à surface reconfigurable ne présentant pas les inconvénients ci-dessus.
Le but énoncé ci-dessus est atteint par un dispositif à surface reconfigurable comportant au moins un picot monté coulissant à travers une plaque, ledit picot étant apte à prendre au moins deux positions, et au moins un actionneur pour faire passer le picot au moins d'une position à l'autre, des moyens de maintien de chaque picot dans l'une de ses positions, une plaque formant guide d'onde en interaction avec ledit picot, et une unité de commande configurée pour commander ledit au moins un actionneur en utilisant le procédé de focalisation d'onde par retournement temporel, de sorte qu'il génère une onde dans le guide d'onde localisée au niveau du picot, qui provoque l'apparition d'une impulsion hors-plan dans le guide d'onde et le déplacement dudit picot de sorte à le faire passer d'une position à l'autre.
Ainsi l'actionneur peut être éloigné du picot, notamment il n'est plus nécessaire qu'il soit aligné avec celui-ci dans la direction verticale comme cela est le cas dans les dispositifs de l'état de la technique.
Avantageusement, les moyens de maintien sont bistables, ce qui permet de ne pas requérir d'énergie pour maintenir le picot dans l'une ou l'autre des positions. Dans un mode de réalisation, les moyens de maintien bistables sont de type magnétique, l'énergie délivrée par l'actionneur est suffisante pour faire passer le picot d'une position stable à l'autre.
Par exemple chaque picot porte un aimant.
Dans un autre mode de réalisation, les moyens de maintien bistables sont mécaniques.
Dans un autre mode de réalisation, les moyens de maintien sont de type électrostatique.
En d'autres termes, les inventeurs ont pensé à associer le principe de retournement temporel et un système de maintien en position, l'onde générée par retournement temporel est focalisée en une ou plusieurs zones formant une source d'énergie mécanique donnant l'impulsion de changement d'état et le changement d'état est assisté et confirmé par les moyens de maintien.
La présente invention est d'autant plus avantageuse lorsque plusieurs picots et plusieurs actionneurs sont mis en œuvre. D'une part les actionneurs peuvent être disposés à distance des picots, par exemple ils peuvent être disposés sur le bord du guide d'onde. D'autre part, un nombre d'actionneurs inférieur au nombre de picots est avantageusement mis en œuvre. Ainsi l'encombrement des moyens d'actionnement sont réduits par rapport aux dispositifs de l'état de la technique.
En outre, les picots sont activés à distance et plusieurs picots peuvent être activés simultanément.
De manière particulièrement avantageuse, le dispositif à surface reconfigurable forme un afficheur tactile, notamment un afficheur de caractères Braille.
Un objet de la présente demande est alors un dispositif à surface reconfigurable comportant une surface reconfigurable munie de m perçages, m étant un entier positif au moins égal à 1, une plaque formant guide d'onde, dite plaque guide d'onde, m picots, chaque picot étant monté coulissant dans un perçage de la surface reconfigurable dans une direction orthogonale à la plaque guide d'onde, et apte à prendre une première position stable et une deuxième position stable, au moins dans la deuxième position, une extrémité du picot faisant saillie de la surface reconfigurable, au moins un actionneur fixé à la plaque guide d'onde apte à provoquer un déplacement hors-plan de la plaque guide d'onde, et une unité de commande configurée pour commander ledit au moins un actionneur selon le procédé de focalisation d'onde par retournement temporel, de sorte que ledit actionneur génère une onde dans la plaque guide d'onde localisée au niveau du au moins un picot, qui génère une impulsion dans la plaque guide d'onde et provoque le déplacement dudit picot de sorte à le faire passer au moins de la première position à la deuxième position, et des moyens de maintien dudit picot au moins dans la deuxième position.
Dans un exemple avantageux, les moyens de maintien sont des moyens de maintien bistables configurés pour que ladite impulsion provoque le passage d'un état stable vers l'autre état stable.
Par exemple, les moyens de maintien bistables sont tels qu'ils exercent un effort de rappel maintenant le picot dans la première position et un effort de rappel maintenant le picot dans la deuxième position.
Avantageusement la plaque guide d'onde est munie de m perçages, chaque perçage de la plaque guide d'onde étant aligné avec un perçage de la surface reconfigurable, chaque picot étant monté coulissant dans un perçage de la surface reconfigurable et un perçage de la plaque guide d'onde.
Dans un exemple de réalisation, le picot comporte un premier épaulement configuré pour être en appui contre la plaque guide d'onde dans la première position et un deuxième épaulement configuré pour être en appui contre la plaque guide d'onde dans la deuxième position.
Dans un autre exemple de réalisation, les moyens de maintien bistables comportent soit au moins un aimant solidaire du picot et une plaque guide d'onde en matériau ferromagnétique, soit au moins un aimant solidaire de la plaque guide d'onde et un élément en matériau ferromagnétique solidaire du picot.
Les premier et deuxième épaulements peuvent être portés par des aimants permanents et la plaque guide d'onde est en matériau ferromagnétique. En variante, les premier et deuxième épaulements sont portés par des éléments en matériau ferromagnétique et la plaque guide d'onde porte des aimants permanents ou est un aimant permanent.
Les moyens de maintien bistables sont mécaniques.
En variante, les moyens de maintien sont électrostatiques, au moins le deuxième épaulement formant une électrode et la plaque portant la surface reconfigurable forme une électrode.
Selon une caractéristique additionnelle, ledit au moins un actionneur est apte à générer des ondes de flexion ou des ondes de Lamb dans la plaque guide d'onde.
Avantageusement, le dispositif à surface reconfigurable comporte plusieurs actionneurs répartis sur les bords de la plaque guide d'onde.
Un autre objet de la présente demande est un afficheur tactile comportant un dispositif à surface reconfigurable selon l'invention, dans lequel la surface reconfigurable est une surface d'affichage tactile et le dispositif comporte une pluralité de picots.
Très avantageusement, les picots, lorsqu'ils sont dans leur deuxième position, ne font pas saillie de la surface d'affichage, ledit afficheur formant une plage Braille.
Un autre objet de la présente demande est un procédé d'affichage tactile sur un afficheur tactile selon l'invention, comportant plusieurs picots, ledit procédé comportant :
- la sélection des picots à faire passer de la première position à la deuxième position ou inversement, à partir d'un contenu numérique à afficher,
- l'envoi d'au moins un ordre audit au moins un actionneur de modifier la position des picots sélectionnés,
- la génération par l'au moins un actionneur d'ondes focalisées dans la plaque guide d'onde au niveau des picots sélectionnés, ladite focalisation étant obtenue par le procédé de focalisation par retournement temporel.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise sur la base de la description qui va suivre et des dessins en annexe sur lesquels:
Figure 1 est une représentation schématique d'une vue en coupe longitudinale d'un exemple de réalisation d'un dispositif à surface reconfigurable selon un premier de mode de réalisation,
Figure 2 est une vue de dessus d'un plaque guide d'onde munie d'actionneurs pouvant être mise en œuvre dans la présente invention,
Figure 3A est une représentation graphique de l'énergie potentielle en mJ d'un picot du dispositif de la figure 1 en fonction de sa position dans la direction Z,
Figure 3B est une représentation graphique de la force de rappel en N s'appliquant à un picot du dispositif de la figure 1 en fonction de sa position dans la direction Z,
Figure 4 est une représentation schématique d'une vue en coupe longitudinale d'un autre exemple de réalisation d'un afficheur tactile selon le premier de mode de réalisation,
Figure 5 est une représentation schématique d'une vue en coupe longitudinale d'un autre exemple de réalisation d'un dispositif à surface reconfigurable selon le premier de mode de réalisation,
Figure 6 est une représentation schématique d'une vue en coupe longitudinale d'un autre exemple de réalisation d'un dispositif à surface reconfigurable selon le premier de mode de réalisation,
Figure 7 est une représentation schématique d'une vue en coupe longitudinale d'un autre exemple de réalisation d'un dispositif à surface reconfigurable selon le premier de mode de réalisation,
Figure 8 est une représentation schématique d'une vue en coupe longitudinale d'un autre exemple de réalisation d'un dispositif à surface reconfigurable selon le premier de mode de réalisation,
Figure 9 est une représentation schématique d'une vue en coupe longitudinale d'un autre exemple de réalisation d'un dispositif à surface reconfigurable selon le premier de mode de réalisation, Figure 10 est une représentation schématique d'une vue en coupe longitudinale d'un exemple de réalisation d'un dispositif à surface reconfigurable selon un deuxième mode de réalisation,
Figure 11A est une représentation schématique d'une vue en coupe longitudinale d'un exemple de réalisation d'un dispositif à surface reconfigurable selon un troisième de mode de réalisation,
Figure 11B est une représentation schématique d'une variante du dispositif de la figure 11A,
Figure 12 est une transcription de la lettre d en Braille,
Figure 13 est une représentation schématique d'une vue en coupe longitudinale d'une variante du dispositif de la figure 1.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
La description qui va suivre portera plus particulièrement un afficheur tactile notamment un afficheur tactile formant une plage Braille, mais la présente demande porte plus généralement sur un dispositif à surface reconfigurable comme cela sera décrit ci-dessous.
Par ailleurs, l'afficheur tactile selon l'invention peut être utilisé pour afficher tactilement des images ou tout autre contenu.
Sur la figure 1, on peut voir une vue en coupe partielle d'un afficheur tactile selon un exemple d'un premier mode de réalisation.
L'afficheur comporte une surface d'affichage 2 ou surface de lecture portée par une plaque 4. Dans l'exemple représenté l'afficheur a une forme rectangulaire mais cette forme n'est pas limitative et toute autre forme telle que circulaire ou ovale, voire toute autre forme ne sort pas du cadre de la présente invention.
La plaque 4 comporte une pluralité de perçages 6 normaux à la plaque 4. L'afficheur comporte des picots 8, chaque picot 8 étant monté coulissant dans un perçage 6 le long d'une direction Z normale à la plaque 4.
L'afficheur comporte également un guide d'onde (figure 2) formé par une plaque 10 en matériau ferromagnétique percée d'autant de perçages 12 que de perçages 6, chaque perçage 12 étant aligné avec un perçage 6 dans la direction Z. Chaque picot 8 est monté coulissant à la fois dans un perçage 6 et dans un perçage 12.
Dans cet exemple, chaque picot 8 est configuré pour prendre deux positions stables, une première position dite position basse, dans laquelle le picot ne fait pas saillie de la surface de lecture, et une deuxième position dite position haute, dans laquelle le picot fait saillie de la surface de lecture.
La plaque 10 a dans l'exemple représenté et de manière préférée les mêmes dimensions extérieures que la plaque 4.
L'afficheur comporte au moins un actionneur Al, de préférence plusieurs actionneurs Al, A2, A3...An fixés sur le guide d'onde. Dans l'exemple représenté et de manière avantageuse les actionneurs sont fixés le long des bords de la plaque guide d'onde, ce qui permet de laisser libre toute la zone centrale pour les picots. De préférence, les actionneurs ne sont pas disposés sur les axes de symétrie de la plaque guide d'onde ce qui est favorable à l'obtention d'une focalisation précise des ondes. Les actionneurs peuvent être des actionneurs piézoélectriques, par exemple en céramique piézoélectrique. En variante, les actionneurs sont électromagnétiques.
Les actionneurs sont tels qu'ils sont aptes à générer des ondes provoquant un déplacement hors-plan du guide d'onde, typiquement il s'agit d'ondes de flexion ou d'ondes de Lamb, par exemple le mode de Lamb AO.
L'afficheur comporte également une unité de commande UC configurée pour commander les actionneurs de sorte qu'ils focalisent les ondes générées en des points donnés par le procédé de focalisation par retournement temporel dont le principe est décrit dans le document C. Hudin, J. Lozada, and V. Hayward, 'Localized Tactile Feedback on a Transparent Surface through Time-Reversal Wave Focusing', IEEE Transactions on Haptics, vol. 8, no. 2, pp. 188-198, Apr. 2015. L'unité de commande est reliée aux actionneurs par exemple par des fils électriques.
Pour focaliser l'onde sous un picot et générer l'impact, chaque actionneur est piloté avec un signal correspondant à la réponse impulsionnelle entre cet actionneur et le point focal. Nous allons décrire brièvement le principe de la focalisation par retournement temporel.
Le principe du retournement temporel des ondes repose sur l'invariance de l'équation de propagation d'ondes par renversement du temps et sur le principe de réciprocité.
Soit : Xa\xq>ya\yq> t) la réponse impulsionnelle au cours du temps t en un point de coordonnées xa,ya~) après qu'un signal impulsionnel a été émis par un actionneur en
En considérant que la réponse du système plaque et actionneur est linéaire, si l'actionneur situé en q émet non plus une impulsion mais un signal sq(t), le déplacement au point a est alors donné par : avec 0 l'opérateur de convolution.
Ainsi, si l'actionneur situé en q émet, non plus une impulsion, mais la réponse impulsionnelle retournée temporellement depuis l'instant T jusqu'à l'instant initial t = 0, qui est un signal proportionnel à cette réponse, soit :
Avec K un gain d'amplification et avec 0 < t < T, le déplacement produit en un point b quelconque sera :
Le déplacement est ainsi le résultat de l'intégrale du produit de deux fonctions qui ne sont a priori pas corrélées, dont le résultat est donc de moyenne nulle.
On a en un point b et un instant t quelconques un déplacement de moyenne nulle qui constitue une vibration de fond présente sur l'ensemble de la plaque.
En revanche, à l'instant t = T correspondant à la fin de la phase d'émission par l'actionneur, on obtient au point a un déplacement :
Jo
On intègre cette fois une quantité strictement positive. Le résultat est un déplacement non nul de grande amplitude. Ce déplacement est obtenu uniquement au point a et à l'instant T, d'où la focalisation des ondes dans l'espace et dans le temps.
Dans le cas où Q. actionneurs sont utilisés, leurs contributions s'additionnent pour donner :
Le contraste est défini comme le rapport entre le déplacement au point de focalisation au temps T et l'écart type de ce déplacement en un point quelconque b. Il est obtenu par la relation :
Avec Q le nombre d'actionneurs, T la durée de la fenêtre de retournement, T la constante de temps d'atténuation des vibrations dans la plaque et Tc le temps caractéristique de la plaque ou densité modale de la plaque en secondes, ou mode propre par Hz et B = fmax ~ fmtn la bande passante, en hertz, des signaux émis par les actionneurs.
Dès lors que la focalisation est répétée dans le temps avec une période Tr, le contraste est affecté selon la relation :
Pour préserver le contraste, les focalisations successives sont répétées avec une période Tr > T.
La fréquence moyenne des signaux définie la résolution maximale atteignable par la relation :
Avec Rs la résolution spatiale, ou largeur à mi-hauteur du point de focalisation, fm = |a fréquence moyenne des signaux émis, D la rigidité en flexion et ps la masse par unité de surface de la plaque. Les réponses impulsionnelles h(t) peuvent être obtenues soit de façon expérimentale en enregistrant effectivement les réponses impulsionnelles, soit par simulation, soit de manière analytique lorsque la géométrie reste simple.
On réalise ensuite une base de données des réponses impulsionnelles retournées en différents points ou zones de la surface situés sous les picots par étalonnage, cette base de données est utilisée pour générer les signaux envoyés aux actionneurs. Il peut être envisagé de ne pas réaliser une base de données des points sous tous les picots, et de déterminer les réponses impulsionnelles entre les points de la base de données, par exemple par interpolation, ce qui permet de réduire le temps de réalisation de la base de données et sa taille.
Pour faire basculer un picot de son état bas à son état haut, l'impact généré par le guide d'onde sur le picot 8 est dirigé vers le haut. Pour le faire basculer de son état haut à son état bas, l'impact est dirigé vers le bas. Ce changement de direction s'obtient par exemple en multipliant le signal de pilotage des actionneurs par un facteur - 1.
De même, pour actionner simultanément plusieurs picots, on peut additionner les réponses impulsionnelles correspondant à chaque picot et piloter les actionneurs avec cette somme. On obtient alors une focalisation en plusieurs points, éventuellement dans des directions différentes selon la bascule souhaitée.
L'amplitude de l'impulsion sous chaque picot dépend de la tension efficace de pilotage et du nombre de picots simultanément actionnés. Une forte puissance permet de commuter plusieurs picots simultanément. La tâche de focalisation peut être plus grande que la section d'un picot, mais le maximum de la vitesse de déplacement de la plaque guide d'onde est situé sous le picot à activer, seul ce picot sera activé. La vitesse de la plaque guide d'onde en dehors de la zone du maximum de vitesse décroit rapidement. Pour une résolution spatiale égale à deux fois la distance entre deux picots, les picots adjacents au picot à activer ont une vitesse de l'ordre de 50% de la vitesse de picot à activer. Ils ne sont alors pas activés.
Pour maximiser la qualité de focalisation, la plaque guide d'onde peut être telle qu'elle favorise le caractère chaotique de la propagation des ondes dans la plaque en lui donnant une géométrie complexe associant bords rectilignes et bords courbés, en évitant les axes de symétrie et en maintenant la plaque de façon inhomogène.
Ainsi tout ou partie des actionneurs Al, ...An sont commandés pour focaliser les ondes qu'ils génèrent dans le guide d'onde au niveau des perçages 12 dans lesquels sont montés les picots. Les actionneurs peuvent focaliser leurs ondes en un ou plusieurs points du guide d'onde.
L'unité de commande génère ses ordres aux actionneurs sur la base d'un contenu numérique à affiche, par exemple une page d'un livre. Elle traduit ce contenu en picots à actionner et en emplacements d'impulsion à générer dans la plaque guide d'onde.
Les picots 8 sont configurés pour être sensibles aux mouvements hors- plan localisés provoqués par la commande des actionneurs.
Les picots 8 sont tous de structure similaire, un seul picot sera décrit en détail.
Le picot 8 comporte un aimant permanent 14 de forme cylindrique de révolution de diamètre tel qu'il coulisse dans le perçage 12 et est guidé par celui-ci. L'axe de l'aimant est orienté dans la direction Z. Les pôles de l'aimant sont situés aux extrémités longitudinales de l'aimant.
Le picot 8 comporte également un premier épaulement 16 et un deuxième épaulement 18, les épaulements 16, 18 étant situés de part et d'autre de la plaque guide d'onde 10. Le premier épaulement 16 est orienté de sorte que celui-ci soit en appui sur une première face du guide d'onde en regard de la plaque 4 lorsque le picot est dans sa première position. Le deuxième épaulement 18 est orienté de sorte que celui- ci soit en appui sur une deuxième face du guide d'onde opposée à la première face, lorsque le picot est dans sa deuxième position.
En outre le picot 8 comporte une extrémité 8.1 destinée à faire saillie de la surface de lecture.
Dans l'exemple représenté, le perçage 6 a un diamètre inférieur à celui du perçage 12, le diamètre de l'extrémité 8.1 est inférieur à celui de l'aimant. En variante, l'extrémité 8.1 du pion et l'aimant ont le même diamètre.
Dans cet exemple, le premier épaulement 16 et le deuxième épaulement 18 sont rapportés sur les extrémités longitudinales de l'aimant.
Le fonctionnement de l'afficheur de la figure 1 va maintenant être décrit en relation avec les figures 3A et 3B.
La coopération de l'aimant 14 et de la plaque guide d'onde ferromagnétique 10 génère une force de rappel entre le picot 8 et la plaque ferromagnétique 10 telle que, soit le picot 8 est poussé vers le bas vers sa première position stable, le premier épaulement 16 étant en appui contre la première face du guide d'onde 10, soit le picot 8 est poussé vers le haut vers sa deuxième position stable, le deuxième épaulement 18 étant en appui contre la deuxième face du guide d'onde 10. Sur la figure 3A, on peut voir l'énergie potentielle Ep en mJ d'un picot 8 en fonction de sa position en mm le long de la direction Z, le sens positif va du bas vers le haut. La position z = 0 correspond à la position dans laquelle la mi-hauteur de l'aimant coïncide avec le plan médian de la plaque guide d'onde, qui est un maximum local et un point d'équilibre instable. On constate que l'énergie potentielle comporte deux puits aux positions -2,5 mm et +2,5 mm environ, qui correspondent aux positions stables théoriques du picot.
Az correspond au déplacement selon Z du picot entre les positions basse et haute.
De préférence, les positions des premier et deuxième épaulements sont des positions hors équilibres PHE1, PHE2 telle que la force de rappel exercée par l'aimant sur le picot plaque le premier épaulement 16 ou le deuxième épaulement 18 sur la première face ou la deuxième face du guide d'onde 10 respectivement. En outre l'énergie requise pour passer d'un état à l'autre désignée AE sur la figure 3A est de ce fait plus faible. Sur la figure 3B, on peut voir représentée la force de rappel F en N générée par l'aimant en fonction de la position de l'aimant le long de la direction Z en mm.
En dehors des phases de transition, le premier épaulement 16 ou le deuxième épaulement 18 est plaqué contre la première ou la deuxième face du guide d'onde 10 respectivement.
Dans cet exemple, en position basse le picot 8 est à une position z de - 1,7 mm environ et l'aimant exerce une force de rappel de -3,2 N environ. En position haute, le picot 8 est à une position z de 1,7 mm environ et l'aimant exerce une force de rappel de 3,2 N environ.
Le passage d'une position stable à l'autre est obtenu par l'énergie cinétique fournie par l'impulsion de la déformation hors-plan des ondes focalisées dans le guide d'onde sous le picot concerné.
L'énergie cinétique transmise est déterminée de sorte à être supérieure à la barrière de potentiel AFentre les deux positions du picot.
1 n
L'énergie cinétique du picot s'écrit Ec = -MV avec M sa masse et V sa vitesse. On peut donc définir une vitesse de libération |7| = à partir de laquelle le picot acquiert suffisamment d'énergie pour basculer d'un état à l'autre.
L'unité de commande UC commande les actionneurs de sorte à focaliser les ondes sur une ou plusieurs zones du guide d'onde situées sous les picots.
En outre, l'unité de commande UC commande les actionneurs de sorte qu'ils génèrent une impulsion orientée vers le haut ou vers le bas pour faire passer le picot d'une position haute à une position basse et inversement.
Par exemple, on souhaite afficher tactilement la lettre « d ».
Sur la figure 12, on peut voir la transcription du d en braille. Chaque point comporte un numéro de 1 à 6. L'unité de commande UC commande les actionneurs de sorte qu'ils génèrent des impulsions vers le haut sous les picots 1, 4 et 5 de sorte à faire passer uniquement ces picots en position haute, les picots 2, 3, 6, restant en position basse.
Lorsqu'un autre caractère doit être affiché à la place du d, de préférence l'unité de commande UC commande les actionneurs pour qu'ils génèrent des impulsions vers le bas sous les picots 1, 4 et 5 afin qu'ils passent en position basse. Tous les picots sont en position basse. Ensuite des impulsions sont générées sous les picots que l'on souhaite faire passer en position haute.
La coopération de l'aimant et de la plaque ferromagnétique forme des moyens de maintien bistable qui assurent un maintien en position sans apport d'énergie, ce qui est particulièrement adapté à un afficheur tactile portable.
En outre l'invention permet une vitesse de rafraîchissement compatible avec l'affichage Braille. En effet, le temps de focalisation est de l'ordre de quelques millisecondes.
Pour une plage Braille, le système bistable est par exemple dimensionné pour obtenir une extrusion Az du picot entre environ 0,5 mm et environ 1 mm et une force de maintien de l'ordre de 0,15 N.
Selon les standards de l'écriture Braille, l'entraxe entre deux points adjacents est de l'ordre de 2,7 mm, la distance entre les axes de deux picots et alors choisie de l'ordre de 2,7 mm. Grâce à l'invention, puisque les actionneurs ne sont pas sous chaque picot, une telle disposition relative des picots est facilement atteignable.
La présente invention peut s'appliquer à l'affichage d'autres éléments, par exemple des contours ou des images, dans ce cas les distances entre picots peuvent être plus ou moins grandes. Il peut être envisagé de réaliser un afficheur tactile comportant des picots dont l'entraxe est de 1,3 mm. Lorsque des images sont affichées tous ou partie des picots peuvent être activés et lorsque des caractères sont à afficher, un picot sur deux est activé pour retrouver les standards d'affichage de l'écriture Braille.
L'actionnement par focalisation par retournement temporel permet d'actionner le ou les picots souhaités sans affecter les autres. Ainsi dans le cas d'une écriture Braille chacun des six picots d'un caractère peut être activé indépendamment sans risquer d'activer par erreur un picot voisin.
Grâce à l'invention, on peut activer à distance n'importe quel picot à partir d'un ensemble réduit d'actionneurs. Le nombre d'actionneurs est indépendant du nombre de points de la matrice de picots, néanmoins ce nombre est lié à la puissance nécessaire à l'actionnement d'un picot et à la vitesse de rafraîchissement souhaitée. Il est envisageable de réaliser un dispositif à un seul actionneur et plusieurs picots.
Sur les figures 4 à 11, on peut voir représentés différents afficheurs comportant au moins deux picots, l'un des picots étant en position basse et l'autre picot étant en position haute.
Sur la figure 4, on peut voir un autre exemple d'afficheur tactile selon le premier mode de réalisation.
Dans cet exemple, l'aimant permanent unique 14 de chaque picot 108 est remplacé par deux aimants 114.1, 114.2 séparés par un élément en matériau amagnétique 115. L'aimant 114.1 est en contact avec le premier épaulement 116, l'aimant 114.2 est en contact avec le deuxième épaulement 118. La masse des picots est ainsi réduite, ce qui diminue l'énergie d'activation par rapport à l'afficheur de la figure 1. Le fonctionnement est similaire à celui de l'afficheur de la figure 1. La force de rappel s'exerce soit principalement entre l'aimant 114.1 et la plaque guide d'onde 110, soit principalement entre l'aimant 114.2 est la plaque guide d'onde 110.
Sur la figure 5, on peut voir un autre exemple d'afficheur selon le premier mode de réalisation, dans lequel les picots 208.1, 208.2 comportent chacun deux aimants, 214.1, 214.2, l'un 214.1 étant disposé entre le guide d'onde 210 ferromagnétique et la plaque portant la surface de lecture 204, l'autre 214.2 étant situé de l'autre côté de la plaque guide d'onde 210. Les aimants sont par exemple en forme d'anneau. Dans l'exemple représenté des cales 215.1, 215.2 en matériau amagnétique sont en contact avec la face de chaque aimant orientée vers une face de la plaque guide d'onde 210, ce qui permet de réduire la force d'attraction entre chaque aimant et la plaque ferromagnétique. Un picot sans cale ou avec uniquement une cale ne sort pas du cadre de la présente demande. Sur la figure 6, on peut voir un autre exemple d'afficheur selon le premier mode de réalisation dans lequel les aimants permanents sont fixés à la plaque guide d'onde 310. Chaque picot 308 comporte une tige 320 montée coulissante dans la plaque guide d'onde et dans la plaque 304. Chaque tige comporte des extensions transversales 322, 324 portant les premier et deuxième épaulements. Les extensions transversales sont en matériau ferromagnétique.
La plaque guide d'onde 310 porte pour chaque picot 308 des aimants
314.1, 314.2 montés pour l'un sur une face de la plaque et pour l'autre sur l'autre face de la plaque et entourant le passage 312 respectivement. Les aimants sont en forme d'anneau. En position basse, l'extension transversale 322 vient en appui contre l'aimant 314.1 et en position haute l'extension transversale 324 vient en appui contre l'aimant
314.2.
Dans cet exemple, la plaque guide d'onde peut être réalisée dans un matériau différent d'un matériau ferromagnétique.
Le fonctionnement de l'afficheur de la figure 6 est similaire à celui de l'afficheur de la figure 1, mais les forces de rappel sont générées entre les aimants et les extensions transversales en matériau ferromagnétique.
Sur la figure 7, on peut voir un autre exemple de réalisation d'un afficheur tactile selon le premier mode de réalisation.
Dans cet exemple, l'aimant 414 est porté par le picot 408 et est situé à l'extrémité longitudinale du picot située à l'opposé de l'extrémité destinée à faire saillie de la surface de lecture. En outre, l'afficheur comporte, en plus de la plaque portant la surface de lecture et la plaque guide d'onde 410, une structure ferromagnétique 426 parallèle à la plaque guide d'onde et située à l'opposé de la plaque 404 par rapport à la plaque guide d'onde 410.
La structure ferromagnétique 426 comporte deux plaques ferromagnétiques 428 séparées par un matériau amagnétique 430. La structure comporte des perçages 432 alignés avec les perçages 412 de la plaque guide d'onde 410 et dans chacun desquels est monté coulissant l'extrémité d'un picot comportant l'aimant.
Chaque picot comporte deux extensions transversales 422, 424. Pour chaque picot, l'aimant 414 tend à s'aligner sur l'une ou l'autre des plaques ferromagnétiques 428 et à exercer une force de rappel. Sur la figure 7, le picot 408 est en position basse, l'aimant 414 est aligné avec la plaque 428 inférieure, et l'extension transversale 422 est plaquée contre la première face de la plaque guide d'onde 410. Lorsqu'une impulsion est donnée au picot 408 par la plaque guide d'onde via l'extension transversale 422, le picot 408 est déplacé vers le haut, l'aimant est attiré par la plaque ferromagnétique 428, le picot 408 passe est en position haute (position du picot à droite sur la figure 7).
Dans cet exemple, de préférence la plaque guide d'onde est réalisée dans un matériau différent d'un matériau ferromagnétique.
Il est à noter que des interactions peuvent apparaître entre les aimants qui peuvent créer des instabilités et complexifier le contrôle de chacun des picots. Avantageusement, comme cela est représenté sur la figure 13, qui est une variante de l'afficheur de la figure 1, des boucliers magnétiques B sont mis en œuvre pour limiter ces interactions. Dans cet exemple, chaque bouclier a une forme de lame ferromagnétique cloisonnant les aimants sans toucher la plaque guide d'onde. Ces boucliers servent à canaliser le flux magnétique des aimants de sorte à limiter les interférences entre eux.
Sur la figure 8, on peut voir un autre exemple de réalisation d'un afficheur tactile selon le premier mode de réalisation réduisant les interactions entre les aimants.
Dans cet exemple, tout le guide d'onde 510 est réalisé dans un matériau formant un aimant permanent, l'aimantation étant orientée dans la direction Z. Cet exemple se rapproche de celui de la figure 6, dans lequel les aimants étaient rapportés sur la plaque guide d'onde. Cet exemple de réalisation présente l'avantage de supprimer les interactions entre les aimants des différents moyens bistables.
Le fonctionnement de cet afficheur est similaire à celui de la figure 1.
On constate que l'extension transversale 522 du picot 508 ne vient pas en butée contre la plaque 504 en position haute, la butée est assurée uniquement par l'extension transversale 524. En variante, les extensions transversales 522 et 524 entrent en contact simultanément avec la plaque 504 et l'aimant permanent respectivement, néanmoins cela requiert un ajustement rigoureux.
Sur la figure 9, on peut voir un autre exemple de réalisation de l'afficheur tactile combinant à la fois une force de rappel magnétique et une force de rappel mécanique.
Dans cet exemple, l'aimant permanent 614 est formé par une plaque distincte du guide d'onde 610 et est disposé à l'opposé de la plaque 604 par rapport au guide d'onde.
Les picots 608 comportent une extension transversale 624 à l'extrémité longitudinale 608.2 opposée à l'extrémité longitudinale 608.1 destinée à faire saillie de la surface d'affichage. L'extension transversale 624 est en matériau ferromagnétique, de sorte à exercer une force de rappel vers le bas. L'extension transversale 622 formant le premier épaulement est en matériau amagnétique, ce qui ne génère pas de force de rappel entre cet épaulement et l'aimant, plaquant l'extension transversale 622 contre la face supérieure de la plaque guide d'onde 610. Un moyen de rappel mécanique 634, tel qu'un ressort hélicoïdal, est monté entre la plaque 604 et l'extension transversale 622 exerçant une force de rappel vers le haut, plaquant l'extension transversale 624 contre la face inférieure de la plaque guide d'onde 610. Le ressort est dimensionné pour exercer une force de rappel proche de celle exercée entre une extension transversale en matériau ferromagnétique et l'aimant.
Sur la figure 10, on peut voir un autre exemple de réalisation d'un afficheur selon un deuxième mode de réalisation dans lequel le maintien bistable est obtenu par des moyens mécaniques.
L'afficheur comporte des picots 708 présentant chacun des premier et deuxième épaulements portés par des extensions transversales 722, 724, une plaque guide d'onde 710 et une plaque 704 portant la surface de lecture. Les picots traversent le guide d'onde, les deux extensions transversales 722, 724 étant situées de part et d'autre de la plaque guide d'onde 710, les picots traversent également la plaque 704.
En outre l'afficheur comporte des moyens de maintien bistables comportant une membrane 736 disposée entre la plaque guide d'onde 710 et la plaque 704 et traversée par les picots 708. La membrane ne s'interpose pas entre le premier épaulement et la plaque guide d'onde. Les picots sont solidaires en mouvement de la membrane.
La membrane comporte des zones configurées pour présenter deux états stables. La membrane peut être constituée d'une pluralité d'éléments 738 incurvés ayant deux états stables de type clinquant. De tels éléments 738 sont décrits dans le document Æ Asher, E. Benjamin, L. Medina, R. G Hat, and 5. Krylov, "Bistable Micro Caps Fabricated by Sheet Metal Forming", J. Micromech. Microeng., vol. 30, no. 6, p. 065002, Apr. 2020. On peut envisager une plaque rigide percée de trous obturés chacun par un disque bistable, ledit disque étant traversé par un picot.
L'impulsion ou l'impact délivré par le guide d'onde 710 provoque le passage d'un état présentant une courbure à un autre état présentant une courbure opposée.
Sur la figure 10, on peut voir deux éléments 738 dans deux états opposés.
Sur la figure 11A, on peut voir un autre exemple de réalisation d'un afficheur tactile selon un troisième mode de réalisation dans lequel les moyens de maintien sont de type électrostatique.
L'afficheur comporte une électrode 840 unique fixée sous la plaque 804 et des électrodes individuelles 842 fixées à chacun des picots et formant également le premier épaulement et le deuxième épaulement. Une couche isolante électrique 844 recouvre l'électrode 840 pour éviter un court-circuit entre l'électrode 840 et une ou des électrodes 842.
Le fonctionnement de l'afficheur de la figure 11A est le suivant.
Un premier potentiel est appliqué à l'électrode 840.
L'électrode 842 du picot 808 que l'on veut déplacer est mise à un deuxième potentiel. Une impulsion mécanique est exercée par la plaque guide d'onde 810 sur le picot 808 via l'électrode 842 provoquant le déplacement vers le haut du picot dont le déplacement est assisté par la force d'attraction électrostatique entre l'électrode 840 et l'électrode 842. L'électrode 842 entre en contact avec la couche isolante 844 et le picot est maintenu en position haute par l'attraction électrostatique.
Chaque électrode 842 peut être polarisée séparément, ce qui permet un actionnement individuel des picots.
Lorsque les électrodes 840 et 842 sont au même potentiel, l'attraction électrostatique disparaît et le picot revient en position basse par gravité.
En variante, l'électrode 840 peut être remplacée par des électrodes individuelles.
Dans cet exemple, le maintien en position haute requiert une alimentation électrique.
Sur la figure 11B, on peut voir une variante de réalisation de l'afficheur de la figure 11A dans laquelle la plaque guide d'onde 810' ne comporte pas de perçage, l'électrode 842 reposant sur le guide d'onde. Chaque picot n'est alors guidé en translation que par le perçage dans la plaque 804. En effet, le retour en position basse étant obtenu par gravité, aucune impulsion n'est à transmettre par le guide d'onde au picot par coopération entre un épaulement et la face inférieure du guide d'onde.
Le procédé de focalisation par retournement temporel est particulièrement efficace lorsque le milieu de propagation est complexe, ce qui est le cas dans les modes de réalisations des figures 1 à 11A, dans lesquels la plaque guide d'onde est percée et chargée de picots qui diffractent les ondes.
Dans les exemples décrits, la position basse des picots correspond à une position complètement rentrée des picots, i.e. ne faisant pas saillie de la surface de lecture. Il sera compris qu'un picot fait saillie de la surface d'affichage quelle que soit sa position ne sort pas du cadre de la présente invention. Par ailleurs, les différents picots peuvent faire saillie de la surface de lecture avec des hauteurs différentes.
En outre, le dispositif selon l'invention peut être utilisé pour afficher des images tactiles et pas uniquement des caractères en écriture Braille.
Le dispositif peut par exemple remplacer un ouvrage papier en écriture Braille. Une page est affichée à la fois sur l'afficheur et à chaque changement de pages l'affichage est modifié. Le dispositif à surface reconfigurable selon l'invention peut également être utilisé pour déplacer des objets, par exemple un objet sphérique. Pour cela, les picots sont activés successivement pour mettre en rotation l'élément sphérique suivant un chemin donné. Les picots peuvent présenter des hauteurs différentes, certains servant à guider l'objet et les autres à le déplacer. L'unité de commande est alors configurée pour déplacer l'objet selon une trajectoire donnée.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif à surface reconfigurable comportant une surface reconfigurable (2) munie de m perçages (6), m étant un entier positif au moins égal à 1, une plaque (10) formant guide d'onde, dite plaque guide d'onde, m picots (8), chaque picot (8) étant monté coulissant dans un perçage (6) de la surface reconfigurable dans une direction (Z) orthogonale à la plaque guide d'onde (10), et apte à prendre une première position stable et une deuxième position stable, au moins dans la deuxième position, une extrémité du picot (8) faisant saillie de la surface reconfigurable (2), au moins un actionneur (Al) fixé à la plaque guide d'onde (10) apte à provoquer un déplacement hors-plan de la plaque guide d'onde, et une unité de commande (UC) configurée pour commander ledit au moins un actionneur (Al) selon le procédé de focalisation d'onde par retournement temporel, de sorte que ledit actionneur (Al) génère une onde dans la plaque guide d'onde (10) localisée au niveau du au moins un picot (8), qui génère une impulsion dans la plaque guide d'onde (10) et provoque le déplacement dudit picot (8) de sorte à le faire passer au moins de la première position à la deuxième position, et des moyens de maintien dudit picot (8) au moins dans la deuxième position.
2. Dispositif à surface reconfigurable selon la revendication 1, dans lequel les moyens de maintien sont des moyens de maintien bistables configurés pour que ladite impulsion provoque le passage d'un état stable vers l'autre état stable.
3. Dispositif à surface reconfigurable selon la revendication 2, dans lequel les moyens de maintien bistables sont tels qu'ils exercent un effort de rappel maintenant le picot (8) dans la première position et un effort de rappel maintenant le picot (8) dans la deuxième position.
4. Dispositif à surface reconfigurable selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la plaque guide d'onde est munie de m perçages (12), chaque perçage (12) de la plaque guide d'onde (10) étant aligné avec un perçage (6) de la surface reconfigurable (2), chaque picot (8) étant monté coulissant dans un perçage (6) de la surface reconfigurable (2) et un perçage (12) de la plaque guide d'onde (10).
5. Dispositif à surface reconfigurable selon la revendication 4, dans lequel le picot (8) comporte un premier épaulement (16) configuré pour être en appui contre la plaque guide d'onde (10) dans la première position et un deuxième épaulement (18) configuré pour être en appui contre la plaque guide d'onde (10) dans la deuxième position.
6. Dispositif à surface reconfigurable selon les revendications 3 et 4, dans lequel les moyens de maintien bistables comportent soit au moins un aimant (14) solidaire du picot (8) et une plaque guide d'onde (10) en matériau ferromagnétique, soit au moins un aimant solidaire de la plaque guide d'onde et un élément en matériau ferromagnétique solidaire du picot.
7. Dispositif à surface reconfigurable selon les revendications 5 et 6, dans lequel les premier et deuxième épaulements (16, 18) sont portés par des aimants permanents et la plaque guide d'onde est en matériau ferromagnétique.
8. Dispositif à surface reconfigurable selon les revendications 5 et 6, dans lequel les premier et deuxième épaulements sont portés par des éléments en matériau ferromagnétique et la plaque guide d'onde porte des aimants permanents ou est un aimant permanent.
9. Dispositif à surface reconfigurable selon la revendication 2 ou 3, dans lequel les moyens de maintien bistables sont mécaniques.
10. Dispositif à surface reconfigurable selon l'une quelconque des revendications 5, 7 ou 8, dans lequel les moyens de maintien sont électrostatiques, au moins le deuxième épaulement formant une électrode et la plaque portant la surface reconfigurable forme une électrode.
11. Dispositif à surface reconfigurable selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit au moins un actionneur (Al) est apte à générer des ondes de flexion ou des ondes de Lamb dans la plaque guide d'onde (10).
12. Dispositif à surface reconfigurable selon l'une des revendications précédentes, comportant plusieurs actionneurs répartis sur les bords de la plaque guide d'onde (10).
13. Afficheur tactile comportant un dispositif à surface reconfigurable selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la surface reconfigurable est une surface d'affichage tactile et le dispositif comporte une pluralité de picots (8).
14. Afficheur tactile selon la revendication 13, dans lequel les picots, lorsqu'ils sont dans leur deuxième position, ne font pas saillie de la surface d'affichage (2), ledit afficheur formant une plage Braille.
15. Procédé d'affichage tactile sur un afficheur tactile selon la revendication 13 ou 14, comportant plusieurs picots, ledit procédé comportant :
- la sélection des picots à faire passer de la première position à la deuxième position ou inversement, à partir d'un contenu numérique à afficher,
- l'envoi d'au moins un ordre audit au moins un actionneur de modifier la position des picots sélectionnés,
- la génération par le au moins un actionneur d'ondes focalisées dans la plaque guide d'onde au niveau des picots sélectionnés, ladite focalisation étant obtenue par le procédé de focalisation par retournement temporel.
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