EP4632730A1 - Systeme embarqué d'interaction - Google Patents

Systeme embarqué d'interaction

Info

Publication number
EP4632730A1
EP4632730A1 EP25165140.2A EP25165140A EP4632730A1 EP 4632730 A1 EP4632730 A1 EP 4632730A1 EP 25165140 A EP25165140 A EP 25165140A EP 4632730 A1 EP4632730 A1 EP 4632730A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ultrasonic
interaction system
devices
board
ultrasonic acoustic
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
EP25165140.2A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Angélique Rascle
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 EP4632730A1 publication Critical patent/EP4632730A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/18—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound
    • G10K11/26—Sound-focusing or directing, e.g. scanning
    • G10K11/34—Sound-focusing or directing, e.g. scanning using electrical steering of transducer arrays, e.g. beam steering
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08C—TRANSMISSION SYSTEMS FOR MEASURED VALUES, CONTROL OR SIMILAR SIGNALS
    • G08C23/00—Non-electrical signal transmission systems, e.g. optical systems
    • G08C23/02—Non-electrical signal transmission systems, e.g. optical systems using infrasonic, sonic or ultrasonic waves

Definitions

  • the present invention relates to the field of ultrasonic transducers.
  • Ultrasonic transducers have many applications in industry and medicine. They can be used for obstacle detection, defect detection, or sterilization in the pharmaceutical industry. Ultrasonic transducers are also used in medicine for the diagnosis and treatment of various conditions.
  • a haptic system comprises a set of individually controllable ultrasonic transducers to generate ultrasonic pulses.
  • a control circuit controls the transmission of the transducers with phase shifts between the different transducers so as to focus the emitted waves at a given focal point. This makes it possible to generate, in the vicinity of the focal point, a pressure strong enough to be felt by a person.
  • the object of the present invention is to use ultrasonic transducers in an ingenious way to create new industrial applications.
  • an on-board interaction system comprising a set of ultrasonic transducers controllable by a control module to generate at least one focused stream of ultrasonic acoustic waves, called an ultrasonic acoustic pulse, configured to interact with at least one destination device provided with a receiver module sensitive to said at least one ultrasonic acoustic pulse.
  • the on-board interaction system is configured to generate a series of ultrasonic acoustic pulses carrying information.
  • said at least one ultrasonic acoustic pulse carries a directional pressure adapted to actuate a predetermined function in the receiving device.
  • the on-board interaction system is intended to be embedded in a mobile or fixed device among the following devices: vehicle, aircraft, machine, remote control device.
  • the embedded interaction system is intended to be embedded in a set of devices to generate a set of elementary interactions whose combination is necessary to create a specific interaction with the recipient device.
  • the set of devices carries a set of data blocks whose concatenation is necessary for the reconstitution of secure information and that each of said set of devices is configured to transfer the data block that it carries to the recipient device which is configured to reconstitute the secure information from the set of data blocks.
  • the receiving device receives the data blocks in a sequenced manner so that the overall information can be read. This makes it possible to decrypt a set of data, each of whose sub-parts can be brought by different devices incorporating embedded systems, which, once assembled, constitute the entire information set.
  • the set of devices carries a set of elementary directional pressures whose concatenation is necessary for the reconstitution of a specific action and that each of said set of devices is configured to transfer the elementary directional pressure that it carries to the recipient device.
  • the on-board interaction system is intended to generate ultrasonic acoustic pulses configured to interact with several recipient devices.
  • the ultrasonic transducers are PMUT type piezoelectric transducers arranged in a set of matrices and sub-matrices.
  • control module is configured to control the emission of ultrasonic pulses from the sub-matrices with phase shifts between the different sub-matrices so as to focus the emitted waves at a given point in space.
  • Sub-matrix control reduces technological routing and therefore optimizes surface integration. This makes it possible to generate high acoustic pressure from a smaller surface area.
  • each ultrasonic transducer includes a flexible membrane suspended on a rigid support and a piezoelectric conversion element attached to the flexible membrane.
  • the invention also relates to a recipient device comprising a receiver module configured to capture said at least one ultrasonic acoustic pulse emitted by the on-board interaction system according to any one of the above characteristics.
  • the recipient device may be included in a mobile or fixed device.
  • the recipient device includes an on-board interaction system.
  • the invention also relates to a mobile or fixed device comprising an on-board interaction system according to any one of the above characteristics.
  • the concept behind the invention is to propose an embedded system comprising ultrasonic transducers to transmit data or activate a specific function remotely and securely.
  • FIG. 1 schematically illustrates an on-board interaction system, according to one embodiment of the invention.
  • the embedded interaction system is suitable for being embedded in a mobile or fixed device 2 such as a vehicle, aircraft, drone, machine, remote control device, etc.
  • the on-board interaction system 1 comprises a set of ultrasonic transducers 3 which are advantageously arranged in a set of matrices or sub-matrices 4.
  • the 3-piece ultrasonic transducer set is controllable by a module control 5 for generating at least one focused stream of ultrasonic acoustic waves, called an ultrasonic acoustic pulse.
  • the ultrasonic pulse frequency may be between 20 kHz and 10 THz.
  • Each ultrasonic acoustic pulse is configured to interact with at least one destination device 7 provided with a receiver module 9 sensitive to the ultrasonic acoustic pulse emitted by the on-board interaction system 1.
  • the receiver module 9 comprises sensors 11 which transform the acoustic pulse into an electrical signal. These sensors 11 may also be acoustic transducers.
  • the destination device 7 may be a mobile or fixed device which may also comprise an on-board interaction system.
  • interaction' between the on-board interaction system 1 and the receiver module 9 is meant a remote mechanical action, a data transfer or a communication link.
  • This interaction between a device 2 integrating the on-board interaction system 1 and the destination device 7 can only take place in an emission cone 13 of given volume, where the ultrasonic acoustic waves propagate.
  • the interaction is inviolable outside this emission cone 13 which is very limited in space. This allows the interaction to be carried out in complete safety.
  • the embedded interaction system 1 can be embedded in a set of mobile devices 2 to generate a set of elementary interactions whose combination is necessary to create a specific interaction with the destination device 7. This provides greater security to the action carried out on the receiving device 7.
  • control module 5 is an electronic circuit integrated into the on-board interaction system 1.
  • control module 5 may be a software application or a circuit included in the device 2 integrating the on-board interaction system 1.
  • the on-board interaction system 1 comprises a power source 15 intended to supply a voltage to the ultrasonic transducers 3 and possibly to the control module 5 when the latter is also included in the on-board interaction system 1.
  • the power source 15 may be included in the device 2 integrating the on-board interaction system 1.
  • control module 5 can even be integrated into an external device linked to the on-board interaction system 1.
  • the ultrasonic transducers 3 are micromachined piezoelectric ultrasonic transducers, called PMUTs (Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers).
  • PMUT transducers may be made of ceramic or silicon. Other types of transducers may be used.
  • FIG. 2 schematically illustrates an ultrasonic transducer used in the on-board interaction system of the Fig. 1 .
  • This example concerns a PMUT 3 transducer comprising a flexible membrane 15 suspended by its periphery on a rigid support 17.
  • the rigid support 17 is for example made of silicon or ceramic.
  • the membrane 15 is fixed, by its lower face, on the upper face of the support 17.
  • the membrane 15 can have a circular, rectangular, or square shape.
  • the PMUT transducer 3 further comprises a piezoelectric conversion element 19 fixed to the membrane, on its upper face side.
  • the piezoelectric conversion element comprises two electrodes 21a, 21b.
  • a PMUT 3 transducer can operate at different ultrasonic frequencies depending on its size or the technology used (silicon, ceramic or other). As a non-limiting example, we consider here the case of a silicon-type PMUT transducer, operating at 100kHz.
  • Fig. 3 illustrates the pressure curve in Pa as a function of distance in cm for a silicon PMUT transducer.
  • this curve is derived from measurements made for a single PMUT 3 transducer at 100kHz operating under a driving voltage of 5V.
  • the curve shows that the PMUT 3 transducer generates an acoustic pressure of the order of 0.15 Pa at a distance of 30 cm.
  • the acoustic pressure increases almost linearly with increasing voltage.
  • the PMUT 3 transducer generates an acoustic pressure of around 1.45 Pa at a distance of 30 cm.
  • the pressures add up almost linearly.
  • a pressure of the order of 200 Pa at 30 cm can be obtained.
  • a pressure of 200 Pa is taken here just as an indication knowing that it is the pressure that produces a haptic effect.
  • the receiving module 9 can be sensitive to a pressure lower than 200 Pa.
  • the diameter of a circular PMUT transducer is of the order of 800 ⁇ m for a silicon type transducer and is of the order of 5 mm for a ceramic type transducer. It will be noted that the diameter depends on the stiffness of the membrane 15, linked to its thickness and its constituent materials. The diameters considered above are indicative and taken as an example in the dimensioning of a matrix or sub-matrix 4 of PMUT transducers 3.
  • the dimensions of the matrices and/or sub-matrices 4 of transducers 3 can be determined according to the emission frequencies of the PMUT transducers, the technology used (silicon or ceramic), the driving voltage thereof, and the sensitivity of the receiver modules 9.
  • the table below shows the sizing of some configurations.
  • the first column indicates the technology used (silicon or ceramic)
  • the second column indicates the area of a transducer array
  • the third column indicates the driving voltage
  • the fourth column indicates the distance for a pressure of 200 Pa
  • the fifth and sixth columns indicate the pressures exerted at 30 cm and 50 cm respectively
  • the seventh column indicates the number of transducers forming the array
  • the eighth column indicates the diameter of each transducer.
  • the matrix 4 of transducers can be sized to have an action between a few centimeters to several meters depending on the driving voltage and the sensitivity of the receiver module 9.
  • Fig. 4 schematically illustrates the control of the ultrasonic transducers by the control module.
  • the control module 5 is configured to control the sub-matrices 4 of transducers 3 with phase shifts between the different sub-matrices 4 so as to focus the flow of acoustic waves emitted at a focusing point 23 at a predetermined distance.
  • This distance may for example be between 1 cm and 300 cm. This makes it possible to generate, in the vicinity of the focusing point, a pressure strong enough to be picked up by the receiver module 9.
  • the power source 15 is configured to provide the transducers 3 with a driving voltage that can be between 5V and 50V.
  • a driving track is used for each sub-matrix 4.
  • each driving track groups together a plurality of transducers 3, which reduces the technological routing and optimizes the surface integration while allowing the acoustic beamforming technique to be carried out.
  • the on-board interaction system 1 can generate a high acoustic pressure (of the order of 200 Pa) while presenting a high surface integration (from a few mm2 to a few cm2) of transducers 3 and a long range (from a few centimeters to several meters).
  • FIG. 5 schematically illustrates an on-board interaction system, according to first and second preferred embodiments of the invention.
  • the example of the Fig. 5 shows a device 2 (e.g., a mobile object) integrating an embedded interaction system 1.
  • the on-board interaction system 1 is configured to generate a series of ultrasonic acoustic pulses carrying information intended to be transmitted to a destination device 7.
  • the series of ultrasonic acoustic pulses comprises pulses configured according to a predetermined code, for example like Morse code, understandable by the destination device 7.
  • control module 5 in association with a memory 25 storing the information and the coding of acoustic pulses, transforms the digital data into electrical signals and accordingly controls the sub-matrices 4 of ultrasonic transducers 3 according to the description in relation to the Fig. 4
  • the memory 25 may be included in the control module 5, in the on-board interaction system 1 or in the device 2 incorporating this system 1.
  • the receiver module 9 of the destination device 7 Upon receipt of the series of ultrasonic acoustic pulses, the receiver module 9 of the destination device 7 transforms these pulses into electrical signals. These signals are then processed and retransformed into digital data by a circuit of electronic processing 27 integrated into the destination device 7.
  • data can be transmitted securely through a limited transmission cone 13 from the device 2 integrating the on-board interaction system 1 to the destination device 7.
  • the destination device 7 may also include an on-board interaction system 1 allowing the latter to also transmit data to the device 2, thus generating a dialogue between them.
  • the embedded interaction system 1 is intended to be embedded in a set of devices 2 transporting a set of data blocks whose concatenation is necessary for the reconstitution of secure information.
  • each of the set of devices 2 is configured to transfer the data block that it transports to the destination device 7.
  • the latter is configured to reconstitute the secure information from the set of data blocks.
  • the on-board interaction system 1 is configured to generate an ultrasonic acoustic pulse carrying a directional pressure (or pressing force) adapted to activate a predetermined function in the destination device 7.
  • a directional pressure or pressing force
  • the directional pressure can perform a secure and remote mechanical action on a push button, or an acoustic membrane of the receiver module 9, which activates a specific function of the destination device 7.
  • control module 5 is configured to control the sub-matrices 4 of transducers 3 so as to focus the flows of acoustic waves emitted according to determined emission angles to create preferential axes for the emission of the ultrasonic pulses.
  • the on-board interaction system 1 can be integrated into an autonomous mobile device 2 to go into an area that is difficult for a human to access, in order to actuate or activate a certain function.
  • the on-board interaction system 1 is intended to generate ultrasonic acoustic pulses configured to interact with several receiving devices 7.
  • the embedded interaction system 1 may be intended to be embedded in a set of devices 2 carrying a set of elementary directional pressures whose sequential concatenation is necessary for the reconstitution of a specific action.
  • each of the set of devices 2 is configured to transfer the elementary directional pressure that it carries to the destination device 7, thus carrying out an encryption of actions.
  • FIG. 6 schematically illustrates a particular application of the on-board interaction system, according to one embodiment of the invention.
  • the mobile device 2 is a car and the receiving device 7 is a garage door opening mechanism.
  • the embedded interaction system 1 is integrated, for example, in the bumper of the car 2 and the receiving module 9 is integrated in the garage door opening mechanism 7.
  • the opening mechanism 7 is intended to operate the opening of the garage door by emitting an ultrasonic acoustic pulse from the car 2. This action is contactless and the nature of the ultrasonic acoustic pulse is predetermined in a manner specific to the coupling of the two elements: car/door.

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Abstract

L'invention concerne un système embarqué d'interaction comportant un ensemble de transducteurs ultrasonores (3) commandable par un module de contrôle (5) pour générer au moins un flux d'ondes acoustiques ultrasonores focalisé, dit impulsion acoustique ultrasonore configuré pour interagir avec au moins un dispositif destinateur (7) muni d'un module récepteur (9) sensible à ladite au moins une impulsion acoustique ultrasonore.

Description

    DOMAINE TECHNIQUE
  • La présente invention concerne le domaine de transducteurs ultrasonores.
    • ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
  • Les transducteurs ultrasonores ont beaucoup d'applications dans l'industrie et le domaine médicale. On peut les utiliser pour le repère d'obstacles, la détection de défauts, ou la stérilisation dans l'industrie pharmaceutique. Les transducteurs ultrasonores sont utilisés aussi en médecine dans le diagnostic et le traitement de différentes affections.
  • On connaît aussi dans l'art antérieur des systèmes comportant des transducteurs ultrasonores permettant de créer un flux d'ultrasons focalisé en un point qui procure une sensation de touché à une personne. Un tel système dit système haptique comporte un ensemble de transducteurs ultrasonores commandables individuellement pour générer des impulsions ultrasonores. Un circuit de contrôle commande les transducteurs en émission avec des déphasages entre les différents transducteurs de manière à focaliser les ondes émises en un point de focalisation donné. Ceci permet de générer, au voisinage du point de focalisation, une pression suffisamment forte pour être ressentie par une personne.
  • L'objet de la présente invention est d'utiliser les transducteurs ultrasonores de manière ingénieuse pour créer de nouvelles applications industrielles.
    • EXPOSÉ DE L'INVENTION
  • Cet objectif est atteint avec un système embarqué d'interaction comportant un ensemble de transducteurs ultrasonores commandable par un module de contrôle pour générer au moins un flux d'ondes acoustiques ultrasonores focalisé, dit impulsion acoustique ultrasonore configuré pour interagir avec au moins un dispositif destinateur muni d'un module récepteur sensible à ladite au moins une impulsion acoustique ultrasonore.
  • Ceci permet de réaliser une interaction (transfert de données ou action à distance) entre un appareil intégrant le système embarqué et un dispositif destinataire en toute sécurité car l'interaction ne peut se faire que dans une cône d'émission de volume donné, où se propage les ondes acoustiques ultrasonores.
  • Selon un mode de réalisation, le système embarqué d'interaction est configuré pour générer une série d'impulsions acoustiques ultrasonores porteuse d'une information.
  • Ceci permet de transférer ou communiquer des données (par exemple à l'instar du morse) vers un dispositif fixe ou mobile en toute sécurité.
  • Selon un mode de réalisation, ladite au moins une impulsion acoustique ultrasonore est porteuse d'une pression directionnelle adaptée pour actionner une fonction prédéterminée dans le dispositif récepteur.
  • Ceci permet de réaliser une action intelligente à distance en toute sécurité, comme une actuation d'une (ou de plusieurs) membrane acoustique, d'un bouton poussoir ou tout capteur sensible à une pression acoustique émise par le système embarqué.
  • Avantageusement, le système embarqué d'interaction est destiné à être embarqué dans un appareil mobile ou fixe parmi les appareils suivants : véhicule, aéronef, machine, dispositif de télécommande.
  • Selon encore un autre mode de réalisation, le système embarqué d'interaction est destiné à être embarqué dans un ensemble d'appareils pour générer un ensemble d'interactions élémentaires dont la combinaison est nécessaire pour créer une interaction spécifique avec le dispositif destinataire.
  • Selon un aspect d'un mode de réalisation, l'ensemble d'appareils est porteur d'un ensemble de blocs de données dont la concaténation est nécessaire à la reconstitution d'une information sécurisée et que chacun dudit ensemble d'appareils est configuré pour transférer le bloc de données qu'il porte au dispositif destinataire qui est configuré pour reconstituer l'information sécurisée à partir de l'ensemble de blocs de données.
  • Le dispositif destinataire reçoit les blocs de données de manière séquencée pour que l'information globale soit lue. Ceci permet de décrypter un ensemble de données dont chacune des sous parties peuvent être amenées par différents appareils embarquant des systèmes embarqués, qui une fois assemblés, constituent l'ensemble de l'information.
  • Selon un autre aspect d'un mode de réalisation, l'ensemble d'appareils est porteur d'un ensemble de pressions directionnelles élémentaires dont la concaténation est nécessaire à la reconstitution d'une action spécifique et que chacun dudit ensemble d'appareils est configuré pour transférer la pression directionnelle élémentaire qu'il porte au dispositif destinataire.
  • Avantageusement, le système embarqué d'interaction est destiné à générer des impulsions acoustiques ultrasonores configurées pour interagir avec plusieurs dispositifs destinataires.
  • Avantageusement, les transducteurs ultrasonores sont des transducteurs piézoélectriques de type PMUT arrangés en un ensemble de matrices et sous-matrices.
  • Avantageusement, le module de contrôle est configuré pour commander l'émission d'impulsions ultrasonores des sous-matrices avec des déphasages entre les différentes sous-matrices de façon à focaliser les ondes émises en un point donné de l'espace.
  • Le pilotage de sous matrices diminue le routage technologique et donc optimise l'intégration surfacique. Cela permet de générer une forte pression acoustique à partir d'une plus petite surface.
  • Selon un aspect, chaque transducteur ultrasonore comprend une membrane flexible suspendue sur un support rigide et un élément de conversion piézoélectrique fixé sur la membrane flexible.
  • L'invention concerne également un dispositif destinataire comportant un module récepteur configuré pour capter ladite au moins une impulsion acoustique ultrasonore émise par le système embarqué d'interaction selon l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus. Le dispositif destinataire peut être compris dans un appareil mobile ou fixe.
  • Avantageusement, le dispositif destinataire comporte un système embarqué d'interaction.
  • L'invention vise aussi un appareil mobile ou fixe comportant un système embarqué d'interaction selon l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus.
    • BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
  • La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :
    • La Fig. 1 illustre de manière schématique un système embarqué d'interaction, selon un mode de réalisation de l'invention ;
    • La Fig. 2 illustre de manière schématique un transducteur ultrasonore de l'interface haptique de la Fig. 1 ;
    • La Fig. 3 illustre, une courbe de pression en Pa en fonction de la distance en cm pour un transducteur PMUT en silicium ;
    • La Fig. 4 illustre de manière schématique la commande des transducteurs ultrasonores par le module de contrôle ;
    • La Fig. 5 illustre de manière schématique un système embarqué d'interaction, selon des premier et deuxième modes de réalisation préférés de l'invention ; et
    • La Fig. 6 illustre de manière schématique une application particulière du système embarqué d'interaction, selon un mode de réalisation de l'invention.
    EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE L'INVENTION
  • Le concept à la base de l'invention est de proposer un système embarqué comportant des transducteurs ultrasonores pour transmettre des données ou actionner une fonction spécifique à distance et de manière sécurisée.
  • La Fig. 1 illustre de manière schématique un système embarqué d'interaction, selon un mode de réalisation de l'invention.
  • Le système embarqué d'interaction est adapté pour être embarqué dans un appareil 2 mobile ou fixe de type véhicule, aéronef, drone, machine, dispositif de télécommande, etc.
  • Conformément à l'invention, le système embarqué d'interaction 1 comporte un ensemble de transducteurs ultrasonores 3 qui sont avantageusement arrangés en un ensemble de matrices ou sous-matrices 4.
  • L'ensemble de transducteurs ultrasonores 3 est commandable par un module de contrôle 5 pour générer au moins un flux focalisé d'ondes acoustiques ultrasonores, dit impulsion acoustique ultrasonore. La fréquence d'impulsions ultrasonores peut être comprise entre 20 kHz et 10 THz.
  • Chaque impulsion acoustique ultrasonore est configurée pour interagir avec au moins un dispositif destinateur 7 muni d'un module récepteur 9 sensible à l'impulsion acoustique ultrasonore émise par le système embarqué d'interaction 1. Le module récepteur 9 comporte des capteurs 11 qui transforment l'impulsion acoustique en signal électrique. Ces capteurs 11 peuvent également être des transducteurs acoustiques. Le dispositif destinateur 7 peut être un appareil mobile ou fixe qui peut également comporter un système embarqué d'interaction.
  • Par 'interaction' entre le système embarqué d'interaction 1 et le module récepteur 9, on entend une action mécanique à distance, un transfert de données ou un lien de communication.
  • Cette interaction entre un appareil 2 intégrant le système embarqué d'interaction 1 et le dispositif destinateur 7 ne peut se faire que dans un cône d'émission 13 de volume donné, où se propage les ondes acoustiques ultrasonores. Ainsi, l'interaction est inviolable en dehors de cette cône d'émission 13 qui est très limitée dans l'espace. Ceci permet de réaliser l'interaction en toute sécurité.
  • Selon un aspect de mode de réalisation, le système embarqué d'interaction 1 peut être embarqué dans un ensemble d'appareils 2 mobiles pour générer un ensemble d'interactions élémentaires dont la combinaison est nécessaire pour créer une interaction spécifique avec le dispositif destinateur 7. Ceci apporte davantage de sécurité à l'action réalisée sur le dispositif récepteur 7.
  • Par ailleurs, le module de contrôle 5 est un circuit électronique intégré dans le système embarqué d'interaction 1. En variante, le module de contrôle 5 peut être une application logicielle ou un circuit compris dans l'appareil 2 intégrant le système embarqué d'interaction 1.
  • En outre, le système embarqué d'interaction 1 comporte une source d'alimentation 15 destinée à fournir une tension aux transducteurs ultrasonores 3 et éventuellement, au module de contrôle 5 lorsque ce dernier est également compris dans le système embarqué d'interaction 1. En variante, la source d'alimentation 15 peut être comprise dans l'appareil 2 intégrant le système embarqué d'interaction 1.
  • On notera que pour certaines applications, le module de contrôle 5 peut même être intégré dans un dispositif extérieur en lien avec le système embarqué d'interaction 1.
  • Selon un aspect d'un mode de réalisation, les transducteurs ultrasonores 3 sont des transducteurs piézoélectriques ultrasonores micro-usinés, dit PMUT (Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers). Les transducteurs PMUT peuvent être en céramique ou en silicium. D'autres types de transducteurs peuvent être utilisés.
  • La Fig. 2 illustre de manière schématique un transducteur ultrasonore utilisé dans le système embarqué d'interaction de la Fig. 1.
  • Cet exemple concerne un transducteur PMUT 3 comprenant une membrane flexible 15 suspendue par sa périphérie sur un support rigide 17. Le support rigide 17 est par exemple en silicium ou en céramique. La membrane 15 est fixée, par sa face inférieure, sur la face supérieure du support 17. La membrane 15 peut avoir une forme circulaire, rectangulaire, ou carrée.
  • Le transducteur PMUT 3 comprend en outre un élément de conversion piézoélectrique 19 fixé sur la membrane, du côté de sa face supérieure. L'élément de conversion piézoélectrique comprend deux électrodes 21a, 21b.
  • L'application d'une tension entre les électrodes 21a, 21b de l'élément de conversion piézoélectrique 19 provoque une déformation de la membrane 15 permettant de générer une onde acoustique ultrasonore. A l'inverse, une déformation de la membrane 15 génère une tension qui peut être utilisée pour mesurer une onde acoustique ultrasonore reçue par le transducteur PMUT 3. Ce genre de transducteurs est décrit en détail dans la demande de brevet FR3092680 de la demanderesse.
  • Un transducteur PMUT 3 peut fonctionner selon différentes fréquences ultrasonores en fonction de sa taille ou de la technologie utilisée (silicium, céramique ou autre). A titre d'exemple non limitatif, on considère ici le cas d'un transducteur PMUT de type silicium, fonctionnant à 100kHz.
  • En effet, la Fig. 3 illustre, la courbe de la pression en Pa en fonction de la distance en cm pour un transducteur PMUT en silicium.
  • Plus particulièrement, cette courbe est issue des mesures réalisées pour un transducteur PMUT 3 unitaire à 100kHz fonctionnant sous une tension de pilotage de 5V. Par exemple, la courbe montre que le transducteur PMUT 3 génère une pression acoustique de l'ordre de 0.15 Pa à une distance de 30 cm.
  • On notera que la pression acoustique augmente quasi-linéairement avec l'augmentation de la tension. Ainsi, pour une tension de pilotage de 48 V, le transducteur PMUT 3 génère une pression acoustique de l'ordre de 1.45 Pa à une distance de 30 cm.
  • En outre, les pressions s'ajoutent quasi-linéairement. Ainsi, en utilisant par exemple, 140 transducteurs PMUT, on peut obtenir une pression de l'ordre de 200 Pa à 30 cm. Une pression de 200 Pa est prise ici juste à titre indicatif sachant que c'est la pression qui produit un effet haptique. Bien entendu, le module de réception 9 peut être sensible à une pression plus petite que 200 Pa.
  • Le diamètre d'un transducteur PMUT circulaire est de l'ordre de 800 µm pour un transducteur de type silicium et est de l'ordre de 5 mm pour un transducteur de type céramique. On notera que le diamètre dépend de la raideur de la membrane 15, liée à son épaisseur et ses matériaux constitutifs. Les diamètres considérés ci-dessus sont indicatifs et pris en guise d'exemple dans le dimensionnement d'une matrice ou sous-matrice 4 de transducteurs PMUT 3.
  • Ainsi, en utilisant des transducteurs PMUT de type silicium et pour un écart de l'ordre de 300 µm entre les membranes 15 des transducteurs 3 voisins, on peut construire une matrice 4 de transducteurs 3 de l'ordre de 1.5 x 1.5 cm2 générant une pression de 200 Pa à une distance de 30 cm. On notera que l'écart de 300 µm entre membranes est un écart indicatif qui est suffisant pour permettre une solidité de la matrice 4 tout en gardant les membranes proches les unes des autres.
  • Les dimensions des matrices et/ou sous-matrices 4 de transducteurs 3 peuvent être déterminées selon les fréquences d'émission des transducteurs PMUT, de la technologie utilisée (silicium ou céramique), de la tension de pilotage de ceux-ci, et de la sensibilité des modules récepteurs 9.
  • Le tableau ci-dessous indique le dimensionnement de quelques configurations. La première colonne indique la technologie utilisée (silicium ou céramique), la deuxième colonne indique la surface d'une matrice de transducteurs, la troisième colonne indique la tension de pilotage, la quatrième colonne indique la distance pour une pression de 200 Pa, les cinquième et sixième colonnes indiquent les pressions exercées à 30 cm et 50 cm respectivement, la septième colonne indique le nombre de transducteurs formant la matrice, et la huitième colonne indique le diamètre de chaque transducteur.
    Techno Surface matrice Tension de pilotage Distance P = 200 Pa Pression à 30 cm Pression à 50 cm Nbre de transducteurs Diamètre du transducteur
    PMUT piézo céramique 4.5×4.5 cm2 12 V 16 cm 107 Pa 62.9 Pa 16 5 mm
    4.5×4.5 cm2 48 V 62 cm 428 Pa 252 Pa 16 5 mm
    16×16 cm2 12 V 215 cm 1.7 kPa 1.0 kPa 256 5 mm
    16×16 cm2 48 V 598 cm 6.8 kPa 4.0 kPa 256 5 mm
    Techno Surface matrice Tension de pilotage Distance P = 200 Pa Pression à 30 cm Pression à 50 cm Nombre de transducteurs Diamètre du transducteur
    PMUT AIN couche mince 1×1 cm2 12 V 1.1 cm 6.8 Pa 3.4 Pa 36 800 µm
    1×1 cm2 48 V 5 cm 27.2 Pa 13.3 Pa 36 800 µm
    7×7 cm2 12 V 60 cm 0.52 kPa 0.27 kPa 2809 800 µm
    7×7 cm2 48 V 131 cm 2.08 kPa 1.06 kPa 2809 800 µm
  • Ainsi, selon l'application souhaitée, on peut avoir une matrice de faible dimension, légère, et de faible tension de pilotage qui est très adaptée pour un système embarqué 1. La matrice 4 de transducteurs peut être dimensionnée pour avoir une action entre quelques centimètres à plusieurs mètres en fonction de la tension de pilotage et de la sensibilité du module récepteur 9.
  • La Fig. 4 illustre de manière schématique la commande des transducteurs ultrasonores par le module de contrôle.
  • Le module de contrôle 5 est configuré pour commander les sous-matrices 4 de transducteurs 3 avec des déphasages entre les différentes sous-matrices 4 de manière à focaliser le flux d'ondes acoustiques émises en un point de focalisation 23 selon une distance prédéterminée. Cette distance peut par exemple être comprise entre 1 cm et 300 cm. Ceci permet de générer, au voisinage du point de focalisation, une pression suffisamment forte pour être captée par le module récepteur 9.
  • Par ailleurs, la source d'alimentation 15 est configurée pour fournir aux transducteurs 3 une tension de pilotage pouvant être comprise entre 5V et 50V. Avantageusement, on utilise une piste de pilotage pour chaque sous-matrice 4. Ainsi, chaque piste de pilotage regroupe une pluralité de transducteurs 3 ce qui diminue le routage technologique et optimise l'intégration surfacique tout en permettant la réalisation de la technique de formation de faisceaux 'beamforming' acoustiques.
  • Ainsi, le système embarqué d'interaction 1 peut générer une forte pression acoustique (de l'ordre de 200 Pa) tout en présentant une forte intégration surfacique (de quelques mm2 à quelques cm2) de transducteurs 3 et une longue portée (de quelques centimètres à plusieurs mètres).
  • La Fig. 5 illustre de manière schématique un système embarqué d'interaction, selon des premier et deuxième modes de réalisation préférés de l'invention.
  • L'exemple de la Fig. 5 montre un appareil 2 (par exemple, un objet mobile) intégrant un système embarqué d'interaction 1.
  • Selon le premier mode de réalisation, le système embarqué d'interaction 1 est configuré pour générer une série d'impulsions acoustiques ultrasonores porteuse d'une information destinée à être transmise à un dispositif destinateur 7. La série d'impulsions acoustiques ultrasonores comporte des impulsions configurées selon un code prédéterminé par exemple à l'instar du morse, compréhensible par le dispositif destinateur 7.
  • Plus particulièrement, le module de contrôle 5 en association avec une mémoire 25 stockant l'information et le codage d'impulsions acoustiques, transforme les données numériques en signaux électriques et commande en conséquence les sous-matrices 4 de transducteurs ultrasonores 3 selon la description en relation avec la Fig. 4. La mémoire 25 peut être comprise dans le module de contrôle 5, dans le système embarqué d'interaction 1 ou dans l'appareil 2 embarquant ce système 1.
  • A la réception de la série d'impulsions acoustiques ultrasonores, le module récepteur 9 du dispositif destinateur 7 transforme ces impulsions en signaux électriques. Ces signaux sont ensuite, traités et retransformés en données numériques par un circuit de traitement électronique 27 intégré dans le dispositif destinateur 7.
  • Ainsi, des données peuvent être transmises en toute sécurité à travers un cône d'émission 13 limitée depuis l'appareil 2 intégrant le système embarqué d'interaction 1 vers le dispositif destinateur 7.
  • En outre, le dispositif destinateur 7 peut également comporter un système embarqué d'interaction 1 permettant à ce dernier de transmettre aussi des données à l'appareil 2 générant ainsi un dialogue entre eux.
  • Selon un aspect particulier de ce premier mode de réalisation, le système embarqué d'interaction 1 est destiné à être embarqué dans un ensemble d'appareils 2 transportant un ensemble de blocs de données dont la concaténation est nécessaire à la reconstitution d'une information sécurisée. Dans ce cas, chacun de l'ensemble d'appareils 2 est configuré pour transférer le bloc de données qu'il transporte au dispositif destinateur 7. Ce dernier est configuré pour reconstituer l'information sécurisée à partir de l'ensemble de blocs de données. Cette application permet de réaliser un cryptage de données.
  • Selon le deuxième mode de réalisation de la Fig. 5, le système embarqué d'interaction 1 est configuré pour générer une impulsion acoustique ultrasonore porteuse d'une pression directionnelle (ou force pressante) adaptée pour activer une fonction prédéterminée dans le dispositif destinateur 7. Par exemple, la pression directionnelle peut réaliser une action mécanique sécurisée et à distance sur un bouton poussoir, ou une membrane acoustique du module récepteur 9, qui active une fonction spécifique du dispositif destinateur 7.
  • Avantageusement, le module de contrôle 5 est configuré pour commander les sous-matrices 4 de transducteurs 3 de manière à focaliser les flux d'ondes acoustiques émises selon des angles d'émission déterminés pour créer des axes préférentiels à l'émission des impulsions ultrasonores.
  • Selon une application particulière de ce mode de réalisation, le système embarqué d'interaction 1 peut être intégré dans un appareil 2 mobile autonome pour aller dans une zone difficile d'accès pour un humain, afin d'actionner ou d'activer une certaine fonction.
  • Selon un autre aspect particulier, le système embarqué d'interaction 1 est destiné à générer des impulsions acoustiques ultrasonores configurés pour interagir avec plusieurs dispositifs récepteurs 7.
  • Par ailleurs, comme précédemment, le système embarqué d'interaction 1 peut être destiné à être embarqué dans un ensemble d'appareils 2 porteurs d'un ensemble de pressions directionnelles élémentaires dont la concaténation séquentielle est nécessaire à la reconstitution d'une action spécifique. Dans ce cas, chacun de l'ensemble d'appareils 2 est configuré pour transférer la pression directionnelle élémentaire qu'il porte au dispositif destinateur 7 réalisant ainsi, un cryptage d'actions.
  • La Fig. 6 illustre de manière schématique une application particulière du système embarqué d'interaction, selon un mode de réalisation de l'invention.
  • Selon cet exemple, l'appareil mobile 2 est une voiture et le dispositif destinataire 7 est un mécanisme d'ouverture d'une porte de garage. Le système embarqué d'interaction 1 est intégré par exemple dans le pare choc de la voiture 2 et le module récepteur 9 est intégré dans le mécanisme d'ouverture 7 de la porte de garage.
  • Ainsi, le mécanisme d'ouverture 7 est destiné à actionner l'ouverture de la porte de garage par une émission d'une impulsion acoustique ultrasonore depuis la voiture 2. Cette action est sans contact et la nature de l'impulsion acoustique ultrasonore est prédéterminée de manière spécifique au couplage des deux éléments : voiture/porte.

Claims (14)

  1. Système embarqué d'interaction, caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble de transducteurs ultrasonores (3) commandable par un module de contrôle (5) pour générer au moins un flux d'ondes acoustiques ultrasonores focalisé, dit impulsion acoustique ultrasonore configuré pour interagir avec au moins un dispositif destinateur (7) muni d'un module récepteur (9) sensible à ladite au moins une impulsion acoustique ultrasonore, le système embarqué d'interaction (1) étant destiné à être embarqué dans un ensemble d'appareils (2) pour générer un ensemble d'interactions élémentaires dont la combinaison est nécessaire pour créer une interaction spécifique avec le dispositif destinataire (7).
  2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système embarqué d'interaction (1) est configuré pour générer une série d'impulsions acoustiques ultrasonores porteuse d'une information.
  3. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite au moins une impulsion acoustique ultrasonore est porteuse d'une pression directionnelle adaptée pour actionner une fonction prédéterminée dans le dispositif récepteur (7).
  4. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système embarqué d'interaction (1) est destiné à être embarqué dans un appareil (2) mobile ou fixe parmi les appareils suivants : véhicule, drone, aéronef, machine, dispositif de télécommande.
  5. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensemble d'appareils (2) est porteur d'un ensemble de blocs de données dont la concaténation est nécessaire à la reconstitution d'une information sécurisée et en ce que chacun dudit ensemble d'appareils (2) est configuré pour transférer le bloc de données qu'il porte au dispositif destinataire (7) qui est configuré pour reconstituer l'information sécurisée à partir de l'ensemble de blocs de données.
  6. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensemble d'appareils (2) est porteur d'un ensemble de pressions directionnelles élémentaires dont la concaténation est nécessaire à la reconstitution d'une action spécifique et en ce que chacun dudit ensemble d'appareils est configuré pour transférer la pression directionnelle élémentaire qu'il porte au dispositif destinataire (7).
  7. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système embarqué d'interaction (1) est destiné à générer des impulsions acoustiques ultrasonores configurés pour interagir avec plusieurs dispositifs destinataire (7).
  8. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les transducteurs ultrasonores (3) sont des transducteurs piézoélectriques de type PMUT arrangés en un ensemble de matrices et sous-matrices (4).
  9. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que le module de contrôle (5) est configuré pour commander l'émission d'impulsions ultrasonores des sous-matrices (4) avec des déphasages entre les différentes sous-matrices (4) de façon à focaliser les ondes émises en un point donné de l'espace.
  10. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque transducteur ultrasonore (3) comprend une membrane (15) flexible suspendue sur un support rigide (17) et un élément de conversion piézoélectrique (19) fixé sur la membrane flexible.
  11. Dispositif destinataire comportant un module récepteur configuré pour capter ladite au moins une impulsion acoustique ultrasonore émise par le système embarqué d'interaction (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10.
  12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il est compris dans un appareil mobile ou fixe.
  13. Dispositif selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce qu'il comporte un système embarqué d'interaction.
  14. Appareil mobile ou fixe caractérisé en ce qu'il comporte un système embarqué d'interaction (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10.
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Citations (4)

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