WO2012164209A1 - Dispositif d'affichage tactile a ecran muni de particules ferromagnetiques - Google Patents

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WO2012164209A1
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touch screen
display device
touch
ferromagnetic particles
matrix
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PCT/FR2012/051170
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Inventor
Christian Bolzmacher
Moustapha Hafez
Original Assignee
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives
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Publication date
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    • 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
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
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    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/16—Rectilinearly-movable armatures
    • H01F7/1638—Armatures not entering the winding
    • H01F7/1646—Armatures or stationary parts of magnetic circuit having permanent magnet

Definitions

  • the present invention relates to a touch screen display device provided with ferromagnetic particles.
  • the invention relates to a device of the type comprising:
  • a touch screen comprising ferromagnetic particles
  • This device comprises a screen thus capable of presenting tactile patterns that are easily and rapidly reconfigurable by selective activation of the actuators, by acting on the viscosity changes generated by local polarizations of the ferromagnetic particles that the screen contains.
  • Touch display apparatus using magneto-rheological fluid and published under number KR 10-2010-0138219.
  • This device has a touch screen formed of a flexible layer of latex hermetically covering a chamber filled with a magneto-rheological fluid. Electromagnets arranged against the fluid-filled chamber are individually activated to locally change the apparent viscosity of the magnetorheological fluid by generation of a local magnetic field, so that a tactile sensation of pattern appears on the screen at locations where the viscosity is different.
  • the latex layer has a certain fragility, including risks of rupture. It is thus sensitive to external deteriorations that can cause fluid flows making the device permanently unusable.
  • the pattern is accessible to the touch, by accessing a feeling of viscosity variation of the fluid through the latex layer, but has no relief.
  • the invention therefore relates to a tactile display device comprising:
  • a touch screen comprising ferromagnetic particles
  • the touch screen comprises an elastic flexible membrane formed of an elastomeric material, which elastomeric material comprises the ferromagnetic particles.
  • the membrane is of flexible solid material, there is no risk of fluid flow. There is also no need to provide a flexible airtight layer such as latex.
  • the touch screen is therefore both simpler to manufacture and less fragile than in the above examples.
  • the effect of a magnetic field on a portion of this touch screen is twofold.
  • the locally modified stiffness of the membrane is sensitive to the touch, but it is further accentuated by an out-of-plane deformation of the resilient flexible membrane, making the touch screen locally deformable upon activation of the actuators.
  • Each tactile pattern thus created on the screen then has a sensitive relief or even visible.
  • the elastomeric material is of the silicone or rubber type.
  • each actuator comprises a movable element provided with a permanent magnet
  • each actuator comprises means for moving, in particular electromagnetic, its movable element, between a position remote from the touch screen and a close position of the touch screen, the latter generating said local magnetic field.
  • a tactile display device may comprise a locking matrix of the movable elements in at least three different functional positions:
  • each actuator comprises an electromagnet disposed against the touch screen
  • each actuator comprise means for electrically controlling its electromagnet, between an inactive state in which no local magnetic field is generated by the electromagnet and an active state in which said local magnetic field is generated by the electromagnet.
  • a tactile display device may further comprise a set of position sensors of at least one touch distributed against the touch screen.
  • the sensors comprise detectors of local variations of resistivity in the elastic flexible membrane, including probes, one end of which is in contact with the elastic flexible membrane of the touch screen.
  • the plurality of actuators and the set of sensors are evenly distributed, particularly in a matrix manner, in a support disposed against the touch screen.
  • the sensors comprise conducting son extending regularly, especially in a matrix manner, in the thickness of the flexible elastomeric elastic membrane of the touch screen.
  • the plurality of actuators is distributed in a first matrix
  • the set of sensors is distributed according to a second matrix
  • the first and second dies are staggered relative to one another in the holder.
  • the ferromagnetic particles are selected from soft magnetic materials.
  • the ferromagnetic particles are selected from hard magnetization materials.
  • the touch screen further comprises an additional surface layer of texture different from that of the elastic flexible membrane, added above it on an outer face of the touch screen, this additional surface layer being in particular made of an elastic plastic material or an elastic fabric deemed pleasant to the touch.
  • FIG. 1 diagrammatically shows in sectioned perspective the general structure of a tactile display device according to one embodiment of the invention
  • FIG. 2 diagrammatically shows in section a detail of the display device of FIG. 1, according to a first variant
  • FIG. 3 schematically represents in section a detail of the display device of FIG. 1, according to a second variant
  • FIG. 4 schematically represents in section a detail of the display device of FIG. 1, according to a third variant
  • FIG. 5 schematically represents in section a detail of the display device of FIG. 1, according to a fourth variant
  • FIG. 6 diagrammatically shows in a top view a touch screen support of the device of FIG. 1, according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 7 shows schematically in sectional perspective the general structure of a touch display device according to another embodiment of the invention.
  • a touch screen display device 12 is shown in perspective sectioned in FIG.
  • This display device 10 can be integrated in a housing (not shown) of any shape, to be adapted according to the intended application, pierced in one of its walls with a window intended to receive the touch screen 12.
  • the latter is illustrated rectangular and flat but can be adapted in any form.
  • the touch screen 12 comprises or consists of an elastic flexible membrane formed in an elastomeric material, for example silicone or rubber, this elastomeric material comprising ferromagnetic particles.
  • the ferromagnetic particles are for example chosen from soft magnetization materials.
  • the elastic flexible membrane, and therefore the touch screen 12 has a thickness ranging from a few tenths of a millimeter (at least 0.1 mm) to a few millimeters, for example 2 mm. Due to the presence of ferromagnetic particles within the elastomeric material that constitutes it, the elastic flexible membrane of the touch screen 12 has magneto-rheological properties.
  • the ferromagnetic particles in this area tend to be polarized all in the same direction, so that the rigidity of the touch screen 12 in this area is increased compared to other areas of the screen in which the local magnetic field has no effect.
  • the material containing the ferromagnetic particles is an elastomer and not a fluid, the local magnetic field tends to deform the outer face of the touch screen 12 in the area in question by attracting or repelling the ferromagnetic particles contained in the area concerned.
  • the off-plane deformation thus obtained can reach from a few fractions of millimeters to a few millimeters, for example 1 mm for a resting thickness of 2 mm.
  • the display device 10 further comprises an upper frame 14, of the same general rectangular shape as the touch screen 12 and fixed, for example by gluing, against an inner face thereof. It performs a support function of the touch screen 12. It is pierced with through-hole cylindrical holes 16 arranged in a matrix on a surface corresponding to the space occupied by the touch screen 12. The main longitudinal axes of these through-hole cylindrical holes 16 are perpendicular to the inner face of the touch screen 12.
  • the display device 10 also comprises a lower frame 18, of the same general rectangular shape as the touch screen 12 and pierced with cylindrical holes 20, through or not, arranged opposite the cylindrical through holes 16.
  • the frames 14 and 18 may be extended by extensions (not shown) fixed to each other so as to create an available volume between these two frames to receive various elements constituting actuators 22 with movable elements of the display device 10.
  • Each of these actuators 22 comprises for example a core 24 of generally cylindrical shape made of iron, steel or a magnet, more generally a soft or hard ferromagnetic material.
  • Each core 24 is surmounted by a cylindrical extension 26 of insulating material. As illustrated in FIG. 1, this cylindrical extension 26 can be fixed to the core 24 by insertion. It is itself surmounted by a permanent magnet 28 cylindrical fixed by gluing.
  • the assembly consisting of the core 24, its cylindrical extension 26 and the corresponding permanent magnet 28 form the movable element of any one of the actuators 22, this movable element of generally cylindrical shape being guided in translation by the cylindrical holes 16 and 20 corresponding in which it is inserted. It therefore moves in a direction orthogonal to the surface of the touch screen 12.
  • the movable element 24, 26, 28 of each actuator 22 can be moved between at least two positions:
  • the actuators 22 each further comprise an electromagnet coil 30 disposed in the inner cylindrical wall of a corresponding through hole formed in a frame intermediate 32 fixed between the upper and lower frames 14 and 18.
  • This intermediate frame 32 is also pierced of through holes arranged in a matrix, each coil 30 disposed in one of its holes being individually controlled by an electric power source (not shown) for the individual displacement of each movable element 24, 26, 28.
  • the electric power source performs the function of individual activation means of the actuators 22.
  • a locking matrix 34 is provided in the display device 10. It is arranged free and guided in lateral translation on the lower frame 18 and is pierced for example by circular or ovoid cylindrical holes 36 arranged in a matrix .
  • Each moving element 24, 26, 28 of actuator 22 then comprises, in the lower part of its core 24, a collar 38 intended to cooperate with the locking matrix 34 in the following manner:
  • the movable elements 24, 26, 28 are centered on respective portions of maximum section of the circular or ovoid cylindrical holes 36, in particular portions whose section is greater than the diameter of the flanges 38, so that the movable elements 24, 26, 28 are free in translation in the cylindrical holes 16 and 20,
  • the movable elements 24, 26, 28 are centered on respective portions of minimum section of the circular or ovoid cylindrical holes 36, in particular portions whose section is greater than the diameter of the collars 38, so that the movable elements 24, 26, 28 are maintained either in the high position or in the low position, without being able to return from one to the other.
  • the locking matrix 34 is further guided in vertical translation, that is to say in the direction of movement of the movable elements 24, 26, 28, to occupy a third position called display from its second position of locking. More specifically, during the transition from its locking position to its display position, according to a principle of vertical bistability, the locking matrix 34 drives all the movable elements 24, 26, 28 in the upward up position while all movable elements in the low position remain as they are.
  • the movable elements in high position 24, 26, 28 are then brought to a new position in which their permanent magnets 28 come into contact with the internal face of the touch screen 12, that is to say in contact with its membrane flexible elastic magneto rheological elastomer, thus creating the rigid pattern in relief desired by action of their respective local magnetic fields on the ferromagnetic particles of the membrane locally subjected to the effects of these fields.
  • the rigid and raised pattern can be maintained as long as desired without additional energy input.
  • the permanent magnets are represented independently of the rest of the actuators 22 but remain integral with the cores 24 and their cylindrical extensions 26.
  • Two permanent magnets 28A are represented in the up position (and in the third position). display of the lock matrix 34, if applicable).
  • Another permanent magnet 28B is shown in the lower position. They are inserted into the through holes 16 of the rigid support constituted by the upper frame 14.
  • the upper faces of the permanent magnets 28A in the upper position are flush with the upper face of the upper frame 14, so that they come into contact with the inner face of the touch screen 12.
  • the local magnetic fields they generate continuously have an effect on the corresponding areas 40A of the touch screen 12.
  • the ferromagnetic particles of the elastic flexible membrane are selected in soft magnetization materials, they are attracted by the permanent magnets 28A in position high so that, since these particles are embedded in an elastomeric material, the touch screen 12 has a lower thickness and increased rigidity in the corresponding areas 40A.
  • the zones 40B situated above the permanent magnets 28B in the low position retain the thickness at rest of the touch screen 12.
  • the second variant illustrated in Figure 3 is identical to that of Figure 2, except that the ferromagnetic particles are chosen in hard magnetization materials. In this case, they are repelled (or attracted according to the magnetization) by the permanent magnets 28A in the high position so that, because these particles are embedded in an elastomeric material, the touch screen 12 has a thickness and rigidity increased in the corresponding areas 40A. On the other hand, the zones 40B situated above the permanent magnets 28B in the low position retain the thickness at rest of the touch screen 12.
  • each actuator 22 'thus comprises an electromagnet, that is to say a soft iron core 42 surrounded by a coil 44 of electromagnet, inserted in one of the through holes 16 of the upper frame 14.
  • Each actuator 22' is then in permanent contact with the inner face of the touch screen 12.
  • such a fixed actuator 22 ' has no local effect on the elastic flexible membrane magneto rheological elastomer of the touch screen 12 that s' it is activated by supplying its coil 44 with a current source fulfilling the function of individual activation means of the actuators 22 '.
  • the ferromagnetic particles are chosen from soft magnetization materials (or hard with opposite magnetization) and the first and third actuators 22 'are supplied with current, so that a local magnetic field is generated and that the areas 40A of the touch screen 12 located above these actuators 22 'supplied have a lower thickness and increased rigidity.
  • the second actuator 22 ' located between the first and third actuators, is not supplied with current, so that the zone 40B situated above this actuator 22' retains the thickness at rest of the touch screen. 12.
  • sensors 46 of position of at least one touch are distributed against the internal face of the touch screen 12. More precisely, these sensors 46 may be in the form of wire probes passing through the thickness of the upper frame 14, their respective free ends 48 coming into contact with the elastic flexible elastomeric membrane of the touch screen 12, while their other respective ends are connected to a circuit 50 for detecting local variations in resistivity in the elastic flexible membrane. Indeed, when a user places his finger on the outer face of the touch screen 12, he distorts it locally by overwriting, which causes a local variation of resistivity in the elastomeric membrane provided with ferromagnetic particles.
  • the section shown in FIG. 5 shows a possible arrangement of actuators and sensors in alignment.
  • FIG. 6 in plan view of the upper chassis 14, it is noted that the through-cylindrical holes 16, therefore the actuators 22 or 22 ', are regularly distributed in a first matrix on the upper chassis 14.
  • the sensors 46 are evenly distributed in a second matrix on the upper frame 14, the second matrix being arranged in staggered relation to the first.
  • Other configurations are of course conceivable.
  • the sensors 52x, 52y comprise conductive son extending in a matrix manner in the touch screen 12: the wired electrical conductors 52x are arranged parallel in the touch screen 12 in a first main direction of this screen so as to detect the position of a touch along a first axis of abscissa; the wired electrical conductors 52y are arranged parallel in the touch screen 12 in a second main direction of this screen, orthogonal to the first, so as to detect the position of a touch along a second ordinate axis.
  • a tactile display device such as that described above according to various possible embodiments makes it possible to take advantage of the magneto-rheological properties of the touch screen in a simple and robust manner, for an improved tactile or even visual effect. Furthermore, the touch screen formed in a magneto-rheological elastomer membrane is a protection of the actuating part of the display device.
  • the upper part of the actuators that is to say the permanent magnets or electromagnets intended to be in contact with or near the internal face of the touch screen, is not necessarily circular in section.
  • the section can be chosen rectangular, square, octagonal, or other depending on the intended applications.
  • the touch screen 12 has been previously described as consisting of the elastic flexible membrane.
  • the touch screen may further comprise for example an additional surface layer, in other words a "skin" thin texture different from that of the flexible elastic membrane, added above it is-to say on the outside of the touch screen, to improve human-machine interaction.
  • This skin can be made of an elastic plastic material or an elastic fabric known to be pleasant to the touch.

Abstract

Ce dispositif d'affichage tactile (10) comporte : - un écran tactile (12) comprenant des particules ferromagnétiques, - une pluralité d'actionneurs (22) à éléments magnétiques (28) répartis contre l'écran tactile (12), et - des moyens (30) d'activation de chaque actionneur (22) pour engendrer un champ magnétique local dans l'écran tactile (12), caractérisé en ce que l'écran tactile (12) comporte une membrane élastique formée dans un matériau solide souple élastomère, ce matériau élastomère comportant les particules ferromagnétiques.

Description

Dispositif d'affichage tactile à écran muni de particules ferromagnétiques
La présente invention concerne un dispositif d'affichage tactile à écran muni de particules ferromagnétiques.
Plus précisément, l'invention concerne un dispositif du type comportant :
- un écran tactile comprenant des particules ferromagnétiques,
- une pluralité d'actionneurs à éléments magnétiques répartis contre l'écran tactile, et
- des moyens d'activation de chaque actionneur pour engendrer un champ magnétique local dans l'écran tactile,
Ce dispositif comporte un écran ainsi capable de présenter des motifs tactiles facilement et rapidement reconfigurables par une activation sélective des actionneurs, en jouant sur les changements de viscosité engendrés par des polarisations locales des particules ferromagnétiques que contient l'écran.
Un tel dispositif est par exemple décrit dans la demande de brevet intitulée
« Tactile display apparatus using magneto-rheological fluid » et publiée sous le numéro KR 10-2010-0138219. Ce dispositif présente un écran tactile formé d'une couche souple de latex recouvrant hermétiquement une chambre remplie d'un fluide magnéto rhéologique. Des électroaimants disposés contre la chambre remplie de fluide sont activés individuellement pour changer localement la viscosité apparente du fluide magnéto rhéologique par génération d'un champ magnétique local, de sorte qu'une sensation tactile de motif apparaît sur l'écran aux endroits où la viscosité est différente. La couche de latex présente une certaine fragilité, notamment des risques de rupture. Elle est ainsi sensible aux détériorations extérieures qui peuvent provoquer des écoulements de fluide rendant le dispositif définitivement inutilisable. En outre, le motif est accessible au toucher, par l'accès à une sensation de variation de viscosité du fluide à travers la couche de latex, mais ne présente pas de relief.
Un autre dispositif de ce type est décrit dans l'article intitulé « MudPad : tactile feedback and haptic texture overlay for touch surfaces », de Jansen et al, publié dans ITL'10 Proceedings, ACM International Conférence on Interactive Tabletops and Surfaces, 7-10 November 2010, Saarbrucken (DE). Dans ce dispositif se présentant sous la forme d'une tablette interactive, une matrice d'électroaimants est également disposée à l'arrière d'un écran contenant hermétiquement un liquide magnéto rhéologique. Cette tablette est en outre sensible au toucher : il est indiqué que la texture de l'écran est dynamiquement reconfigurable par l'activation de la matrice d'électroaimants. Mais cette tablette présente les mêmes inconvénients de fragilité et d'absence de relief sensible ou visible.
Il peut ainsi être souhaité de prévoir un dispositif d'affichage tactile à écran muni de particules ferromagnétiques qui permette de s'affranchir d'au moins une partie des problèmes et contraintes précités.
L'invention a donc pour objet un dispositif d'affichage tactile comportant :
- un écran tactile comprenant des particules ferromagnétiques,
- une pluralité d'actionneurs à éléments magnétiques répartis contre l'écran tactile, et
- des moyens d'activation de chaque actionneur pour engendrer un champ magnétique local dans l'écran tactile,
dans lequel l'écran tactile comporte une membrane souple élastique formée dans un matériau élastomère, ce matériau élastomère comportant les particules ferromagnétiques.
Ainsi, puisque la membrane est en matériau solide souple, il n'y a pas de risque d'écoulement de fluide. Il n'y a pas non plus nécessité de prévoir une couche hermétique souple telle que du latex. L'écran tactile est donc à la fois plus simple à fabriquer et moins fragile que dans les exemples précités.
Par ailleurs, l'effet d'un champ magnétique sur une partie de cet écran tactile est double. La rigidité localement modifiée de la membrane est sensible au toucher, mais elle est en outre accentuée par une déformation hors plan de la membrane souple élastique, rendant l'écran tactile localement déformable sur activation des actionneurs. Chaque motif tactile ainsi créé sur l'écran présente alors un relief sensible voire même visible.
De façon optionnelle, le matériau élastomère est de type silicone ou caoutchouc.
De façon optionnelle également :
- chaque actionneur comporte un élément mobile muni d'un aimant permanent, et
- les moyens d'activation de chaque actionneur comportent des moyens de déplacement, notamment électromagnétiques, de son élément mobile, entre une position éloignée de l'écran tactile et une position rapprochée de l'écran tactile, cette dernière engendrant ledit champ magnétique local. Dans ce cas, un dispositif d'affichage tactile selon l'invention peut comporter une matrice de verrouillage des éléments mobiles à au moins trois positions fonctionnelle différentes :
- une première position fonctionnelle de déverrouillage dans laquelle les éléments mobiles sont libres de mouvement entre une position haute et une position basse,
- une deuxième position fonctionnelle de verrouillage dans laquelle seuls les éléments mobiles en position haute sont maintenus en position haute, les autres étant empêchés de prendre cette position haute, et
- une troisième position fonctionnelle d'affichage dans laquelle la matrice de verrouillage porte, depuis la deuxième position de verrouillage, les éléments mobiles maintenus en position haute contre l'écran tactile.
De façon optionnelle également :
- chaque actionneur comporte un électroaimant disposé contre l'écran tactile, et
- les moyens d'activation de chaque actionneur comportent des moyens de commande électrique de son électroaimant, entre un état inactif dans lequel aucun champ magnétique local n'est engendré par l'électroaimant et un état actif dans lequel ledit champ magnétique local est engendré par l'électroaimant.
De façon optionnelle également, un dispositif d'affichage tactile selon l'invention peut en outre comporter un ensemble de capteurs de position d'au moins un toucher répartis contre l'écran tactile.
De façon optionnelle également, les capteurs comportent des détecteurs de variations locales de résistivité dans la membrane souple élastique, notamment des sondes dont une extrémité est en contact avec la membrane souple élastique de l'écran tactile.
De façon optionnelle également, la pluralité d'actionneurs et l'ensemble de capteurs sont répartis de façon régulière, notamment de façon matricielle, dans un support disposé contre l'écran tactile.
De façon optionnelle également, les capteurs comportent des fils conducteurs s'étendant de façon régulière, notamment de façon matricielle, dans l'épaisseur de la membrane souple élastique en élastomère de l'écran tactile.
De façon optionnelle également, la pluralité d'actionneurs est répartie selon une première matrice, l'ensemble de capteurs est réparti selon une seconde matrice, et les première et seconde matrices sont disposées en quinconce l'une par rapport à l'autre dans le support.
De façon optionnelle également, les particules ferromagnétiques sont choisies dans des matériaux à aimantation douce.
De façon optionnelle également, les particules ferromagnétiques sont choisies dans des matériaux à aimantation dure.
De façon optionnelle également, l'écran tactile comporte en outre une couche superficielle supplémentaire de texture différente de celle de la membrane souple élastique, ajoutée au dessus de celle-ci sur une face externe de l'écran tactile, cette couche superficielle supplémentaire étant notamment réalisée en un matériau plastique élastique ou un tissu élastique réputé agréable au toucher.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 représente schématiquement en perspective sectionnée la structure générale d'un dispositif d'affichage tactile selon un mode de réalisation de l'invention,
- la figure 2 représente schématiquement en coupe un détail du dispositif d'affichage de la figure 1 , selon une première variante,
- la figure 3 représente schématiquement en coupe un détail du dispositif d'affichage de la figure 1 , selon une deuxième variante,
- la figure 4 représente schématiquement en coupe un détail du dispositif d'affichage de la figure 1 , selon une troisième variante,
- la figure 5 représente schématiquement en coupe un détail du dispositif d'affichage de la figure 1 , selon une quatrième variante,
- la figure 6 représente schématiquement en vue de dessus un support d'écran tactile du dispositif de la figure 1 , selon un mode de réalisation de l'invention, et
- la figure 7 représente schématiquement en perspective sectionnée la structure générale d'un dispositif d'affichage tactile selon un autre mode de réalisation de l'invention.
Un dispositif d'affichage 10 à écran tactile 12 est représenté en perspective sectionnée sur la figure 1 . Ce dispositif d'affichage 10 est susceptible d'être intégré dans un boîtier (non représenté) de forme quelconque, à adapter selon l'application visée, percé dans l'une de ses parois d'une fenêtre destinée à recevoir l'écran tactile 12. Ce dernier est illustré de forme rectangulaire et plane mais peut être adapté selon une forme quelconque.
Plus précisément, l'écran tactile 12 comporte ou est constitué d'une membrane souple élastique formée dans un matériau élastomère, par exemple de la silicone ou du caoutchouc, ce matériau élastomère comportant des particules ferromagnétiques. Les particules ferromagnétiques sont par exemple choisies dans des matériaux à aimantation douce. La membrane souple élastique, et donc l'écran tactile 12, a une épaisseur pouvant aller de quelques dixièmes de millimètres (au moins 0,1 mm) à quelques millimètres, par exemple 2 mm. Du fait de la présence de particules ferromagnétiques au sein même du matériau élastomère qui la constitue, la membrane souple élastique de l'écran tactile 12 présente des propriétés magnéto rhéologiques.
Concrètement, en présence d'un champ magnétique local au voisinage d'une certaine zone de l'écran tactile 12, générant par exemple des lignes de champ orthogonales à sa surface, les particules ferromagnétiques situées dans cette zone ont tendance à être polarisées toutes dans le même sens, de sorte que la rigidité de l'écran tactile 12 dans cette zone est augmentée par rapport aux autres zones de l'écran dans lesquelles le champ magnétique local n'a pas d'effet. En outre, du fait que le matériau contenant les particules ferromagnétiques est un élastomère et non pas un fluide, le champ magnétique local tend à déformer la face externe de l'écran tactile 12 dans la zone considérée en attirant ou en repoussant les particules ferromagnétiques contenues dans la zone concernée. La déformation hors plan ainsi obtenue peut atteindre de quelques fractions de millimètre à quelques millimètres, par exemple 1 mm pour une épaisseur au repos de 2mm.
Pour des précisions sur la constitution ou un procédé de fabrication de la membrane souple élastique en matériau élastomère comportant des particules ferromagnétiques, on peut se reporter au brevet européen publié sous le numéro EP 1 907 724.
Le dispositif d'affichage 10 comporte en outre un châssis supérieur 14, de même forme générale rectangulaire que l'écran tactile 12 et fixé, par exemple par collage, contre une face interne de celui-ci. Il remplit une fonction de support de l'écran tactile 12. Il est percé de trous cylindriques traversants 16 disposés en matrice sur une surface correspondant à l'espace occupé par l'écran tactile 12. Les axes principaux longitudinaux de ces trous cylindriques traversants 16 sont perpendiculaires à la face interne de l'écran tactile 12. Le dispositif d'affichage 10 comporte également un châssis inférieur 18, de même forme générale rectangulaire que l'écran tactile 12 et percé de trous cylindriques 20, traversants ou non, disposés en vis-à-vis des trous cylindriques traversants 16. Les châssis 14 et 18 peuvent se prolonger par des extensions (non représentées) fixées entre elles de manière à créer un volume disponible entre ces deux châssis pour recevoir différents éléments constitutifs d'actionneurs 22 à éléments mobiles du dispositif d'affichage 10.
Chacun de ces actionneurs 22 comporte par exemple un noyau 24 de forme générale cylindrique constitué de fer, d'acier ou d'un aimant, plus généralement d'un matériau ferromagnétique doux ou dur. Chaque noyau 24 est surmonté d'une extension cylindrique 26 en matériau isolant. Comme illustré sur la figure 1 , cette extension cylindrique 26 peut être fixée au noyau 24 par insertion. Elle est elle-même surmontée d'un aimant permanent 28 cylindrique fixé par collage. L'ensemble constitué du noyau 24, de son extension cylindrique 26 et de l'aimant permanent 28 correspondant forme l'élément mobile de l'un quelconque des actionneurs 22, cet élément mobile de forme générale cylindrique étant guidé en translation par les trous cylindrique 16 et 20 correspondants dans lesquels il s'insère. Il se déplace donc dans une direction orthogonale à la surface de l'écran tactile 12.
L'élément mobile 24, 26, 28 de chaque actionneur 22 peut être déplacé entre au moins deux positions :
- une première position basse éloignée de l'écran tactile 12, dans laquelle le champ magnétique local engendré par son aimant permanent 28 a peu ou pas d'effet sur la membrane souple élastique magnéto rhéologique de l'écran tactile 12, et
- une seconde position haute rapprochée de l'écran tactile 12, dans laquelle le champ magnétique local engendré par son aimant permanent 28 a un effet sensible localement sur la membrane souple élastique magnéto rhéologique de l'écran tactile 12 : plus précisément, la membrane devient plus rigide localement et la face externe de l'écran tactile tend à se déformer (hors plan) localement.
Pour provoquer le déplacement des éléments mobiles 24, 26, 28 entre leurs positions haute et basse, les actionneurs 22 comportent en outre chacun une bobine d'électro-aimant 30 disposée dans la paroi cylindrique intérieure d'un trou traversant correspondant formé dans un châssis intermédiaire 32 fixé entre les châssis supérieur et inférieur 14 et 18. Ce châssis intermédiaire 32 est donc lui aussi percé de trous traversants disposés en matrice, chaque bobine 30 disposée dans l'un de ses trous étant commandée individuellement par une source de courant électrique (non représentée) pour le déplacement individuel de chaque élément mobile 24, 26, 28. La source de courant électrique remplit la fonction de moyens d'activation individuelle des actionneurs 22.
De façon optionnelle mais avantageuse, une matrice de verrouillage 34 est prévue dans le dispositif d'affichage 10. Elle est disposée libre et guidée en translation latérale sur le châssis inférieur 18 et est percée par exemple de trous cylindriques circulaires ou ovoïdes 36 disposés en matrice. Chaque élément mobile 24, 26, 28 d'actionneur 22 comporte alors, en partie inférieure de son noyau 24, un collet 38 destiné à coopérer avec la matrice de verrouillage 34 de la façon suivante :
- dans une première position de déverrouillage de la matrice de verrouillage 34, les éléments mobiles 24, 26, 28 sont centrés sur des portions respectives de section maximale des trous cylindriques circulaires ou ovoïdes 36, notamment des portions dont la section est supérieure au diamètre des collets 38, de sorte que les éléments mobiles 24, 26, 28 sont libres en translation dans les trous cylindriques 16 et 20,
- dans une deuxième position de verrouillage de la matrice de verrouillage 34, les éléments mobiles 24, 26, 28 sont centrés sur des portions respectives de section minimale des trous cylindriques circulaires ou ovoïdes 36, notamment des portions dont la section est supérieure au diamètre des collets 38, de sorte que les éléments mobiles 24, 26, 28 sont maintenus soit en position haute, soit en position basse, sans pouvoir revenir de l'une à l'autre.
La matrice de verrouillage 34 est en outre guidée en translation verticale, c'est-à-dire dans la direction de déplacement des éléments mobiles 24, 26, 28, pour occuper une troisième position dite d'affichage à partir de sa deuxième position de verrouillage. Plus précisément, lors du passage de sa position de verrouillage à sa position d'affichage, selon un principe de bistabilité verticale, la matrice de verrouillage 34 entraîne tous les éléments mobiles 24, 26, 28 en position haute vers le haut alors que tous les éléments mobiles en position basse restent tels quels. Les éléments mobiles en position haute 24, 26, 28 sont alors portés vers une nouvelle position dans laquelle leurs aimants permanents 28 viennent au contact de la face interne de l'écran tactile 12, c'est-à-dire au contact de sa membrane souple élastique en élastomère magnéto rhéologique, créant ainsi le motif rigide en relief souhaité par action de leurs champs magnétiques locaux respectifs sur les particules ferromagnétiques de la membrane localement soumises aux effets de ces champs.
Grâce à la matrice de verrouillage 34, le motif rigide et en relief peut être maintenu aussi longtemps que souhaité sans apport d'énergie supplémentaire.
Les parties supérieures des éléments mobiles 24, 26, 28 de la figure 1 , à savoir les aimants permanents 28, en coopération avec l'écran tactile 12 et le châssis supérieur 14 formant support de l'écran tactile 12, vont maintenant être détaillées selon deux premières variantes de réalisation possibles illustrées sur les figures 2 et 3.
Selon la première variante illustrée sur la figure 2, les aimants permanents sont représentés indépendamment du reste des actionneurs 22 mais restent solidaires des noyaux 24 et de leurs extensions cylindriques 26. Deux aimants permanents 28A sont représentés en position haute (et en troisième position d'affichage de la matrice de verrouillage 34, le cas échéant). Un autre aimant permanent 28B est représenté en position basse. Ils sont insérés dans les trous traversants 16 du support rigide que constitue le châssis supérieur 14.
Les faces supérieures des aimants permanents 28A en position haute affleurent à la face supérieure du châssis supérieur 14, de sorte qu'ils viennent en contact avec la face interne de l'écran tactile 12. De ce fait, les champs magnétiques locaux qu'ils engendrent en permanence ont un effet sur les zones correspondantes 40A de l'écran tactile 12. En particulier, si les particules ferromagnétiques de la membrane souple élastique sont choisies dans des matériaux à aimantation douce, celles-ci sont attirées par les aimants permanents 28A en position haute de sorte que, du fait que ces particules sont noyées dans un matériau en élastomère, l'écran tactile 12 présente une moindre épaisseur et une rigidité accrue dans les zones correspondantes 40A. En revanche, les zones 40B situées au dessus des aimants permanents 28B en position basse conservent l'épaisseur au repos de l'écran tactile 12.
La deuxième variante illustrée sur la figure 3 est identique à celle de la figure 2, si ce n'est que les particules ferromagnétiques sont choisies dans des matériaux à aimantation dure. Dans ce cas, elles sont repoussées (ou attirées selon la magnétisation) par les aimants permanents 28A en position haute de sorte que, du fait que ces particules sont noyées dans un matériau en élastomère, l'écran tactile 12 présente une épaisseur et une rigidité accrues dans les zones correspondantes 40A. En revanche, les zones 40B situées au dessus des aimants permanents 28B en position basse conservent l'épaisseur au repos de l'écran tactile 12.
On notera qu'il est possible aussi de prévoir des particules ferromagnétiques choisies dans des matériaux à aimantation douce dans certaines parties de l'écran tactile 12 et des particules ferromagnétiques choisies dans des matériaux à aimantation dure dans d'autres parties de l'écran tactile 12.
Selon une troisième variante illustrée sur la figure 4, les actionneurs 22 à éléments mobiles des figures 1 , 2 et 3 sont remplacés par des actionneurs 22' à éléments fixes. Chaque actionneur 22' comporte ainsi un électroaimant, c'est-à-dire un noyau de fer doux 42 entouré d'une bobine 44 d'électroaimant, inséré dans l'un des trous traversants 16 du châssis supérieur 14. Chaque actionneur 22' est alors en contact permanent avec la face interne de l'écran tactile 12. En revanche, un tel actionneur fixe 22' n'a d'effet local sur la membrane souple élastique en élastomère magnéto rhéologique de l'écran tactile 12 que s'il est activé par alimentation de sa bobine 44 à l'aide d'une source de courant remplissant la fonction de moyens d'activation individuelle des actionneurs 22'.
Dans l'exemple illustré sur la figure 4, les particules ferromagnétiques sont choisies dans des matériaux à aimantation douce (ou dure avec une magnétisation opposée) et les premier et troisième actionneurs 22' sont alimentés en courant, de sorte qu'un champ magnétique local est engendré et que les zones 40A de l'écran tactile 12 situées au dessus de ces actionneurs 22' alimentés présentent une moindre épaisseur et une rigidité accrue. En revanche, le deuxième actionneur 22', situé entre les premier et troisième actionneurs, n'est pas alimenté en courant, de sorte que la zone 40B située au dessus de cet actionneur 22' conserve l'épaisseur au repos de l'écran tactile 12.
Selon une quatrième variante illustrée sur la figure 5, envisagée à partir de la première variante illustrée sur la figure 2, des capteurs 46 de position d'au moins un toucher sont répartis contre la face interne de l'écran tactile 12. Plus précisément, ces capteurs 46 peuvent se présenter sous la forme de sondes filaires traversant l'épaisseur du châssis supérieur 14, leurs extrémités libres 48 respectives venant au contact de la membrane souple élastique en élastomère de l'écran tactile 12, tandis que leurs autres extrémités respectives sont raccordées à un circuit 50 de détection de variations locales de résistivité dans la membrane souple élastique. En effet, lorsqu'un utilisateur pose son doigt sur la face externe de l'écran tactile 12, il le déforme localement par écrasement, ce qui provoque une variation locale de résistivité dans la membrane en élastomère pourvue de particules ferromagnétiques. Cette variation locale de résistivité étant mesurable de façon connue en soit par le circuit de détection 50 à partir de l'extrémité libre 48 de la sonde la plus proche de la déformation causée par le doigt, il devient immédiat de pouvoir localiser ce toucher. De cette façon, plus généralement, plusieurs touchers, voire des déplacements sur l'écran tactile 12, peuvent être détectés.
La coupe illustrée sur la figure 5 présente un arrangement possible des actionneurs et des capteurs, en alignement.
Selon un autre mode de réalisation possible illustré sur la figure 6, en vue de dessus du châssis supérieur 14, on note que les trous cylindriques traversants 16, donc les actionneurs 22 ou 22', sont répartis régulièrement en une première matrice sur le châssis supérieur 14. Les capteurs 46 sont répartis également régulièrement en une seconde matrice sur le châssis supérieur 14, cette seconde matrice étant disposée en quinconce par rapport à la première. D'autres configurations sont bien sûr envisageables.
En variante, pour la détection de toucher, il est également possible de remplacer les sondes 46 traversant le châssis supérieur 14 par une plaque de détection matricielle de variations locales de résistivité, cette plaque pouvant être insérée entre la face supérieure du châssis supérieur 14 et la face interne de l'écran tactile 12. Une telle variante est abordée dans l'article « MudPad : tactile feedback and haptic texture overlay for touch surfaces » mentionné précédemment.
Selon un autre mode de réalisation envisageable pour la détection de toucher illustré sur la figure 7, il est également possible de remplacer les sondes 46 traversant le châssis supérieur 14 par une matrice de capteurs filaires 52x, 52y pour la détection de variations locales de résistivité, cette matrice pouvant être intégrée directement dans la membrane souple élastique en élastomère magnéto rhéologique, c'est-à-dire noyée dans l'épaisseur de l'écran tactile 12. Plus précisément, les capteurs 52x, 52y comportent des fils conducteurs s'étendant de façon matricielle dans l'écran tactile 12 : les conducteurs électriques filaires 52x sont disposés parallèlement dans l'écran tactile 12 selon une première direction principale de cet écran de manière à détecter la position d'un toucher selon un premier axe d'abscisses ; les conducteurs électriques filaires 52y sont disposés parallèlement dans l'écran tactile 12 selon une seconde direction principale de cet écran, orthogonale à la première, de manière à détecter la position d'un toucher selon un second axe d'ordonnées. Le principe technique d'un tel mode de réalisation est abordé en détail dans l'article de Cheng et al, intitulé « A novel highly-twistable tactile sensing array using extendable spiral électrodes », publié dans Proceedings of IEEE 22nd International Conférence on Micro Electro Mechanical Systems, pages 92-95, 25-29 janv. 2009.
II apparaît clairement qu'un dispositif d'affichage tactile tel que celui décrit précédemment selon différentes variantes de réalisation possibles permet de tirer profit des propriétés magnéto rhéologiques de l'écran tactile de façon simple et robuste, pour un effet tactile voire visuel amélioré. Par ailleurs, l'écran tactile formé dans une membrane en élastomère magnéto rhéologique constitue une protection de la partie actionnement du dispositif d'affichage.
En particulier, la robustesse de ce dispositif et son faible coût de fabrication permettent d'envisager des applications dans le secteur automobile où la fabrication se fait à grande échelle. L'intérêt particulier de ce type de dispositif d'affichage dans une automobile est qu'il permet d'accéder simplement à des fonctions de conduite ou de confort sans distraire l'attention visuelle de l'automobiliste.
On notera par ailleurs que l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment.
En particulier, la partie supérieure des actionneurs, c'est-à-dire les aimants permanents ou les électroaimants destinés à être en contact ou à proximité de la face interne de l'écran tactile, n'est pas nécessairement de section circulaire. Pour optimiser l'affichage de motifs sur l'écran tactile, la section peut être choisie rectangulaire, carrée, octogonale, ou autre selon les applications envisagées.
En particulier également, l'écran tactile 12 a été décrit précédemment comme constitué de la membrane souple élastique. Mais l'écran tactile peut en outre comporter par exemple une couche superficielle supplémentaire, en d'autres termes une « peau » fine, de texture différente de celle de la membrane souple élastique, ajoutée au dessus de celle-ci c'est-à-dire sur la face externe de l'écran tactile, pour améliorer l'interaction homme-machine. Cette peau peut être réalisée en un matériau plastique élastique ou un tissu élastique réputé agréable au toucher.
II apparaîtra plus généralement à l'homme de l'art que diverses modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation décrits ci-dessus, à la lumière de l'enseignement qui vient de lui être divulgué. Dans les revendications qui suivent, les termes utilisés ne doivent pas être interprétés comme limitant les revendications aux modes de réalisation exposés dans la présente description, mais doivent être interprétés pour y inclure tous les équivalents que les revendications visent à couvrir du fait de leur formulation et dont la prévision est à la portée de l'homme de l'art en appliquant ses connaissances générales à la mise en œuvre de l'enseignement qui vient de lui être divulgué.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif d'affichage tactile (10) comportant :
un écran tactile (12) comprenant des particules ferromagnétiques, - une pluralité d'actionneurs (22 ; 22') à éléments magnétiques (28 ;
42, 44) répartis contre l'écran tactile (12), et
des moyens (30) d'activation de chaque actionneur pour engendrer un champ magnétique local dans l'écran tactile,
caractérisé en ce que l'écran tactile (12) comporte une membrane élastique formée dans un matériau solide souple élastomère, ce matériau élastomère comportant les particules ferromagnétiques.
2. Dispositif d'affichage tactile (10) selon la revendication 1 , dans lequel le matériau élastomère est de type silicone ou caoutchouc.
3. Dispositif d'affichage tactile (10) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel :
chaque actionneur (22) comporte un élément mobile (24, 26, 28) muni d'un aimant permanent (28), et
les moyens (30) d'activation de chaque actionneur (22) comportent des moyens de déplacement, notamment électromagnétiques, de son élément mobile (24, 26, 28), entre une position éloignée de l'écran tactile (12) et une position rapprochée de l'écran tactile, cette dernière engendrant ledit champ magnétique local.
4. Dispositif d'affichage tactile (10) selon la revendication 3, comportant une matrice (34) de verrouillage des éléments mobiles (24, 26, 28) à au moins trois positions fonctionnelle différentes :
une première position fonctionnelle de déverrouillage dans laquelle les éléments mobiles (24, 26, 28) sont libres de mouvement entre une position haute et une position basse,
une deuxième position fonctionnelle de verrouillage dans laquelle seuls les éléments mobiles (24, 26, 28) en position haute sont maintenus en position haute, les autres étant empêchés de prendre cette position haute, et
une troisième position fonctionnelle d'affichage dans laquelle la matrice de verrouillage (34) porte, depuis la deuxième position de verrouillage, les éléments mobiles (24, 26, 28) maintenus en position haute contre l'écran tactile (12).
5 Dispositif d'affichage tactile (10) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel :
chaque actionneur (22') comporte un électroaimant (42, 44) disposé contre l'écran tactile (12), et
les moyens d'activation de chaque actionneur (22') comportent des moyens de commande électrique de son électroaimant (42, 44), entre un état inactif dans lequel aucun champ magnétique local n'est engendré par l'électroaimant (42, 44) et un état actif dans lequel ledit champ magnétique local est engendré par l'électroaimant (42, 44).
6. Dispositif d'affichage tactile (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comportant en outre un ensemble de capteurs (46 ; 52x, 52y) de position d'au moins un toucher répartis contre l'écran tactile (12).
7. Dispositif d'affichage tactile (10) selon la revendication 6, dans lequel les capteurs (46) comportent des détecteurs de variations locales de résistivité dans la membrane souple élastique, notamment des sondes dont une extrémité (48) est en contact avec la membrane souple élastique de l'écran tactile (12).
8. Dispositif d'affichage tactile (10) selon la revendication 6 ou 7, dans lequel la pluralité d'actionneurs (22 ; 22') et l'ensemble de capteurs (46) sont répartis de façon régulière, notamment de façon matricielle, dans un support (14) disposé contre l'écran tactile (12).
9. Dispositif d'affichage tactile (10) selon la revendication 6, dans lequel les capteurs (52x, 52y) comportent des fils conducteurs s'étendant de façon régulière, notamment de façon matricielle, dans l'épaisseur de la membrane souple élastique en élastomère de l'écran tactile (12).
10. Dispositif d'affichage tactile (10) la revendication 8 ou 9, dans lequel la pluralité d'actionneurs (22 ; 22') est répartie selon une première matrice, l'ensemble de capteurs (46 ; 52x, 52y) est réparti selon une seconde matrice, et les première et seconde matrices sont disposées en quinconce l'une par rapport à l'autre dans le support (14).
1 1 . Dispositif d'affichage tactile (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel les particules ferromagnétiques sont choisies dans des matériaux à aimantation douce.
12. Dispositif d'affichage tactile (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel les particules ferromagnétiques sont choisies dans des matériaux à aimantation dure.
13. Dispositif d'affichage tactile (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans lequel l'écran tactile (12) comporte en outre une couche superficielle supplémentaire de texture différente de celle de la membrane souple élastique, ajoutée au dessus de celle-ci sur une face externe de l'écran tactile, cette couche superficielle supplémentaire étant notamment réalisée en un matériau plastique élastique ou un tissu élastique réputé agréable au toucher.
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