WO2022189142A1 - Interface tactile permettant une mesure d'une intensité d'une force d'appui. - Google Patents

Interface tactile permettant une mesure d'une intensité d'une force d'appui. Download PDF

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WO2022189142A1
WO2022189142A1 PCT/EP2022/054421 EP2022054421W WO2022189142A1 WO 2022189142 A1 WO2022189142 A1 WO 2022189142A1 EP 2022054421 W EP2022054421 W EP 2022054421W WO 2022189142 A1 WO2022189142 A1 WO 2022189142A1
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WO
WIPO (PCT)
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plate
signal
force
interface
transducer
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/054421
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English (en)
Inventor
Maxime Harazi
Matthieu RUPIN
Miguel MOLERON
Original Assignee
Hap2U
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Publication date
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    • G06F3/0354—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor with detection of 2D relative movements between the device, or an operating part thereof, and a plane or surface, e.g. 2D mice, trackballs, pens or pucks
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    • G06F3/0414—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means using force sensing means to determine a position
    • G06F3/04142—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means using force sensing means to determine a position the force sensing means being located peripherally, e.g. disposed at the corners or at the side of a touch sensing plate

Definitions

  • the invention is a user interface configured to measure a bearing force exerted by an external body touching the contact surface of the interface.
  • touch interfaces A large number of devices marketed today are controlled by touch interfaces. This type of interface generally includes a touch surface, which allows simple and interactive control of the device.
  • the device can be a mobile phone, household appliance, car equipment, or a professional tool.
  • touch screens include sensors allowing detection of the contact of a finger by capacitive effect.
  • these screens have a contact surface, capacitively coupled to a transparent conductive mesh. This makes it possible to locate an area of the screen touched by a user's finger.
  • the localization of the contact is sufficiently powerful to make it possible to control a device by the position of the finger or by a trajectory of the finger along the screen, or even by dynamic parameters of movement of the finger, such as a speed or an acceleration .
  • capacitive detection is efficient for locating a contact of a finger on the contact surface of a screen, it does not make it possible to quantify the force exerted by the finger.
  • Touch detection is an all-or-nothing type detection, and only determines finger contact or no contact.
  • Patent US10860107 describes a tactile interface and a method making it possible to estimate an intensity of a pressing force exerted on a vibrating tactile interface.
  • the touch interface comprises a rigid plate, the latter being vibrated by actuation transducers.
  • the actuation transducers are parameterized to generate a vibration of the plate according to a setpoint amplitude whose level is predetermined.
  • the pressing of a finger on the plate causes a variation of the vibration amplitude with respect to the setpoint amplitude, which makes it possible to detect the pressing and to quantify the force exerted by the pressing on the plate.
  • the inventors have found that the approach described in this patent is reliable. However, some applications require a large measurement dynamic, that is to say an extended measurement range.
  • a first object of the invention is an interface comprising:
  • At least one actuation transducer configured to vibrate the plate according to an activation signal
  • At least one detector configured to detect an amplitude of a vibration of the plate and to generate a detection signal, the detection signal oscillating according to an amplitude of oscillation depending on the amplitude of vibration detected;
  • an amplification circuit extending between an input and an output, the input being connected to the detector and the output being connected to the actuation transducer; the interface being characterized in that:
  • the amplification circuit is configured to be powered by an input signal, the input signal being an oscillating signal established from the detection signal;
  • the amplification circuit comprises an amplifier, configured to amplify the input signal, by applying an amplification gain to it, so as to send an output signal to the actuation transducer, the output signal corresponding to the signal d the amplified input, the output signal forming the activation signal of the actuation transducer;
  • the interface comprises a processing unit, powered by a processing signal, the processing signal depending on the input signal or on the detection signal, the processing unit being configured for:
  • the amplification gain is non-linearly dependent on the input signal.
  • the plate and the feedback loop can form a self-sustaining oscillator.
  • the reference signal corresponds to the processing signal in the absence of force exerted on the plate by the external body.
  • the processing signal can be established from:
  • the characteristic quantity quantifying the amplitude of oscillation of the input signal
  • the processing signal can be established from:
  • the characteristic quantity quantifying the amplitude of oscillation of the detection signal
  • the amplification gain depends on a characteristic quantity of the input signal, the characteristic quantity quantifying the amplitude of oscillation of the input signal.
  • the amplification gain may decrease depending on the characteristic magnitude of the input signal.
  • the amplification gain may comprise a maximum gain weighted by a moderation term, such that the amplification gain is all the lower as the characteristic magnitude of the input signal is high.
  • the amplification gain can be maximum when the characteristic magnitude of the input signal reaches a predetermined minimum value.
  • the amplification gain can be minimal when the characteristic quantity of the input signal reaches a value greater than or equal to a threshold value.
  • a screen is attached to the plate, all or part of the plate being transparent.
  • the plate may have a resonant vibration frequency between 20 kHz and 200 kHz.
  • At least one actuation transducer may be a piezoelectric transducer.
  • At least one detector can be a piezoelectric transducer.
  • the interface may comprise a control unit, the control unit being configured to send a control signal to a device, connected to the interface, as a function of the force signal.
  • the interface may include a location circuit, configured to determine a position of a point of contact between the outer body and the plate.
  • the interface may include a filter, arranged between the detector and the amplification circuit, the filter being configured to define a frequency bandwidth of the input signal sent to the amplification circuit. Thus, the input signal is obtained from a filtering of the detection signal.
  • the plate is connected to at least one auxiliary transducer separate from an actuation transducer, the auxiliary transducer being connected to an auxiliary power supply, the auxiliary transducer being configured to set the plate into vibration, according to a set vibration amplitude, predetermined, and according to an ultrasonic vibration frequency, so as to produce a haptic feedback effect;
  • the interface is configured to activate the auxiliary transducer, or each auxiliary transducer, when the force signal crosses a predetermined threshold.
  • an actuation transducer is connected to a switch, the switch being configured to:
  • the actuation transducer then being configured to set the plate in vibration, according to an amplitude setpoint vibration, predetermined, and according to an ultrasonic vibration frequency, so as to produce a haptic feedback effect.
  • a second object of the invention is a method for estimating a force exerted on a plate of an interface according to the first object of the invention, the method comprising: a) application of an external body on the plate, by exerting a force on the plate; b) using the processing unit, estimation of an intensity of the force exerted by the external body on the plate.
  • a third object of the invention is a method for controlling a device, using an interface according to the first object of the invention, the device being parameterized by at least one operating parameter, the method comprising :
  • the interface can in particular be a tactile interface.
  • the outer body can be a finger or a stylus.
  • Figures IA to 1E represent a first embodiment of a touch interface.
  • FIG. 2A schematizes the main steps of a method for estimating an intensity of a force by implementing an interface according to the invention.
  • Figure 2B illustrates the establishment of a sustained self-oscillation regime on a plate coupled to a feedback loop.
  • Figure 2C is a detail of Figure 2B.
  • Figure 2D has an upper part and a lower part.
  • the upper part 2D sup represents the temporal evolution, of Gaussian form, of a bearing force applied to the interface (in Newton N).
  • the lower 2D part shows different force signals, generated by a tactile interface according to the invention (ordinate axis), as a function of time (abscissa axis), for different intensities of force applied, following the time evolution plotted in the figure 2D sup .
  • Each force signal is representative of the intensity of an applied force as a function of time.
  • FIG. 2E shows an evolution of an amplification gain moderation term as a function of the effective value of the input signal of the amplification circuit.
  • FIG. 2F schematizes the attenuation of the vibration of a plate, as a function of the vibration amplitude, in the case of a linear behavior (curve a) and a nonlinear behavior (curve b).
  • FIGS. 3A schematizes an interface used to carry out experimental tests.
  • Figure 3B shows different intensities of force applied to the interface, as a function of time, during the experimental tests.
  • Figures 3C, 3D and 3E show different processing signals depending on the intensity of the applied force.
  • the processing signals are respectively the effective amplitude of the input signal (Fig. 3C), the amplification gain (Fig. 3D) and the frequency of the input signal (Fig. 3E).
  • FIG. 3F represents various force signals measured as a function of force intensities applied to the interface. Each point in the figure corresponds to a force intensity-force signal couple.
  • the force signals have been determined by taking into account three different amplification gains, parameterized by a parameter n. We also have shown force signals obtained by implementing a configuration of the prior art.
  • Figure 3G shows fitting curves of the point clouds of Figure 3F taking into account an exponential fitting function.
  • FIGS. 4A and 4B represent a second embodiment of a touch interface, in which the touch interface comprises a capacitive screen.
  • FIGS. 4C and 4D illustrate examples of implementation of the touch interface described in connection with FIGS. 4A and 4B.
  • FIG. 5A diagrams an embodiment of an interface comprising actuation transducers making it possible to induce haptic feedback from the interface.
  • Figure 5B is a variant of the embodiment described in connection with Figure 5A.
  • FIGS IA to 1E represent an example of interface 1 according to the invention.
  • the interface comprises a plate 10 intended to be touched by an external body 9.
  • the external body 9 is a finger, which corresponds to most of the applications envisaged.
  • the outer body 9 can be a stylus, or any other means allowing to act on the plate 10.
  • the interface is connected to a device 50.
  • the device 50 can be, in a non-limiting manner, a communication device, a computer device, a machine, household electrical equipment, a dashboard of a vehicle. Operation of apparatus 50 is governed by at least one operating parameter.
  • the touch interface 1 is intended for setting a value of the operating parameter of the device 50.
  • the plate 10 includes an adjustment zone 10', intended for adjusting the parameter under the effect of a pressure exerted by the finger 9. According to different application possibilities:
  • the interface can bring up an interactive menu or a virtual setting button
  • a virtual button of the interface becomes operable, so as to be able to adjust a parameter
  • the interface can generate haptic feedback, for example a click effect.
  • the value of the parameter is gradually increased when the finger presses on the plate, in the adjustment zone.
  • the device is by example a multimedia system of a vehicle.
  • the parameter can for example be the sound volume of the multimedia system. The more you press, the higher the sound volume.
  • Plate 10 is rigid. It extends between an outer face 10 and an inner face 10,.
  • the outer face 10 e forms a contact surface intended to be touched by the finger 9.
  • the inner face 10 i and the outer face 10 e preferably extend parallel to each other.
  • the distance between the outer face 10 e and the inner face 10 defines a thickness e of the plate.
  • the thickness e of the plate is sized to allow vibration of the plate 10, preferably according to an ultrasonic vibration frequency.
  • the thickness e of the plate 10 is preferably less than 10 mm, or even less than 5 mm.
  • the thickness e is adjusted according to the nature of the material and its mechanical properties (rigidity, solidity). It is for example between 1 and 5 mm for glass or a material such as Plexiglas.
  • the inner face 10 and the outer face 10 e are flat, which corresponds to the simplest configuration to manufacture.
  • the plate extends, parallel to a lateral axis X, along a width l and, parallel to a longitudinal axis Y, along a length L.
  • the length L and the width l can be between 5 cm and a few tens of cm, for example 30 cm, or even more.
  • the lateral axis X and the longitudinal axis Y define a main plane P XY .
  • the internal face 10, and/or the external face 10 e can be curved.
  • the surface of the plate 10 is preferably greater than 1 cm 2 , or even 10 cm 2 or 50 cm 2 .
  • the plate 10 is formed from a rigid material, such as glass, or a polymer, or wood, or a metal, or a semiconductor, for example silicon.
  • the plate 10 can be transparent or opaque.
  • the plate 10 can comprise opaque parts and transparent parts.
  • the plate 10 is delimited, along the lateral axis X, by a first lateral border 10i and a second lateral border IO2.
  • the plate is intended to be vibrated, in particular according to a spontaneous, self-sustaining vibration as described below.
  • spontaneous vibration is meant a vibration which is not initially specified as a function of an instruction sent to the actuation system, in particular an amplitude and/or frequency instruction.
  • the plate 10 is connected to one or more detectors 11.
  • By “in the vicinity”, is meant at a distance preferably less than 2 cm.
  • each detector 11 is a piezoelectric transducer used as a sensor.
  • Each detector 11 has no driving action on the plate 10, but allows detection of the vibration amplitude of the plate according to a sampling frequency.
  • the sampling frequency is for example equal to a few kHz, a few tens of kHz, or a few hundreds of kHz.
  • one or more actuation transducers 12 are connected to the plate 10.
  • Actuation transducers 12 are configured to be activated by an electrical activation signal. Under the effect of the activation signal, the actuation transducers exert pressure on the plate 10 so as to produce a local deformation of the plate, for example in a direction perpendicular to the plate.
  • the activation signal is periodic
  • the deformation of the plate 10 is periodic, which leads to the formation of a vibration 19.
  • the vibration can for example be generated by a bending wave forming through the plate.
  • the bending wave can be stationary or progressive. According to other possibilities, the vibration can be a wave other than a bending wave, for example a compression wave.
  • An example of vibration 19 is schematized in FIGS. 1C and 1D.
  • the arrangement of the detectors 11 and the actuating transducers 12 at the edge of the plate 10 does not constitute a necessary condition: the detectors or the transducers can be arranged according to other configurations, for example in the form of a line, at the middle of the plate, or of a matrix, or at positions advantageously chosen as vibration antinodes in the case of a standing wave.
  • the position of the antinodes can be determined by simulation or by prior experimental characterization.
  • Each detector 11 and/or each actuation transducer 12 can be a transducer of the piezoelectric type, comprising a piezoelectric material, for example AIN, ZnO or PZT, arranged between two electrodes. It may for example be the reference PZT 406.
  • the detectors 11 or the actuating transducers 12 may be such that the piezoelectric material is deposited, in the form of one or more thin layers, between bias electrodes.
  • a detector or an actuation transducer can be an electromechanical resonator, for example of the MEMS type (Micro ElectroMechanical System - electromechanical microresonator), or of the electrostrictive or magnetostrictive type.
  • MEMS Micro ElectroMechanical System - electromechanical microresonator
  • electrostrictive or magnetostrictive type for example of the MEMS type (Micro ElectroMechanical System - electromechanical microresonator), or of the electrostrictive or magnetostrictive type.
  • the interface 1 comprises an electronic amplification circuit 20, connected to at least one detector 11 and to an actuation transducer 12.
  • the function of the electronic amplification circuit is described in connection with Figures IB to 1E.
  • the electronic amplification circuit 20 is placed under the plate 10.
  • the touch interface 1 comprises a processing unit 30, intended to estimate a pressing force exerted by the external body 9 on the plate 10.
  • the function of the processing unit 30 is described in connection with FIGS. IB to 1E .
  • the touch interface 1 comprises a control unit 40, intended to control the device 50 controlled by the interface.
  • the control unit 40 transmits the value of the operating parameter, resulting from the action of the finger 9 on the plate, to the device 50.
  • the control unit 40 may include a microprocessor, so as to to be able to establish a control signal according to a level of force resulting from the processing unit 30.
  • FIG. IB shows a sectional view of the touch interface.
  • the amplification circuit 20 extends between an input 21 and an output 22.
  • the input of the amplification circuit is connected to at least one detector 11.
  • the output 22 of the amplification circuit is connected to at least one transducer 12.
  • the amplification circuit 20 comprises an amplifier 23, intended to amplify the input signal V in (t), delivered by the detector 11 at a time t, so as to establish an output signal V out (t + dt), at a later time t + dt, such that:
  • V out (t + dt) g(t)V in (t) (1)
  • g(t) corresponds to an amplification gain
  • dt depends on the sampling frequency. More precisely, dt is the inverse of the sampling frequency.
  • the output signal V out (t+dt) resulting from the amplification circuit 20 forms an activation signal for the actuation transducer 12 at the instant t+dt.
  • the amplification gain g(t) is for example such that: where: is the amplification gain; - G is a gain called "critical gain", - a is a positive real strictly greater than 1, allowing adjustment of the value of a maximum gain Ga, the maximum gain being positive. - n is a strictly positive real; is a positive characteristic quantity of V in (t). is for example a estimate of the effective value (RMS) of Vi n (t), or an estimate of the amplitude of oscillation of V in (t). Can be calculated from V in (t) taking into account one period or several periods, for example between 10 and 100 periods.
  • the signals V in and V out are alternating signals (ie oscillating), due to the vibration of the plate, the magnitudes V in (t) and V out (t) correspond to instantaneous signals at each instant t.
  • the input signal V in is formed from a detection signal V d , resulting from a detector 11.
  • the input signal V in is established from the detection signal V d . It may for example be a filtered detection signal, as described below.
  • the parameters ⁇ and n make it possible to adjust the response of the force measurement system, a response explained later in connection with FIGS. 3F and 3G.
  • the maximum gain is reached when reaching a predetermined value, in this example equal to
  • the amplification gain decreases, and tends towards a minimum value which is here equal to 0.
  • the amplification gain g(t) is a decreasing function of
  • An important aspect of the invention is that the (or each) detector 11, the amplification circuit
  • the plate 10 and the feedback loop behave then like a self-sustaining oscillator: the oscillation is maintained according to an amplitude which stabilizes.
  • the amplification circuit 20 The energy losses, at the level of the plate (attenuation of vibrations), or of the plate/detector or plate/transducer interfaces are compensated by the amplification circuit 20, the latter being powered by an external power supply. It is noted that unlike the interface described in the prior art, the plate does not vibrate according to a predetermined setpoint amplitude or frequency. When it comes to measuring an intensity of a force, the actuation transducer of the plate is not controlled so as to put the plate into vibration according to a set amplitude or frequency. The plate vibrates at a spontaneous amplitude, resulting from the self-sustained oscillation by the oscillator formed by the plate and the feedback loop.
  • the plate has vibration modes (frequencies and resonance amplitude) that are specific to it.
  • the plate spontaneously enters into vibration according to a resonance frequency, depending on the material, the dimensions of the plate, the position of the (or of each) actuation transducer 12 and of each detector 11, as well as of the electrical circuits forming the loop of feedback.
  • the resonant frequency of the plate be ultrasonic. This makes vibration inaudible to a user touching the interface or plate.
  • the resonance frequency is preferably between 20 kHz and 200 kHz.
  • the plate can come into vibration by triggering one or more actuating transducers 12.
  • a brief trigger signal for example sinusoidal, is sent so as to initiate the vibration. The latter is then self-sustaining due to the action of the feedback loop.
  • the trigger signal can be produced by the amplification circuit 20.
  • the frequency of the trigger signal is preferably defined beforehand, on the basis of a modeling or an a priori as to the frequency of the oscillations of the plaque.
  • the oscillation frequency can be imposed.
  • the value of the critical gain G can be determined on the basis of experience feedback or tests. It corresponds to the value from which the signal V in (t) is of constant amplitude and stabilized over a window of time, using a constant amplification gain g lin (ie independent of V in (t)), as described in connection with expression (2').
  • g lin independent of V in (t)
  • G can be the minimum value of g lin from which the system, implementing the linear amplification gain g lin , is oscillating.
  • the value of the critical gain G can be determined, using the linear relation explained in (2'), so that the system formed by the plate and the feedback loop behaves like an oscillator : the amplitude of the signal V in (t) reaches a non-zero, constant and stabilized value over a time window.
  • This critical gain value G can then be used in the boost gain g(t) described in (2).
  • the parameter ⁇ corresponds to a multiplicative factor, such that the maximum gain G ⁇ is sufficiently greater than the critical gain G so that the system is always oscillating.
  • the parameter ⁇ can for example be between 1 and 10.
  • the term is a moderation term, allowing to adjust the amplification gain g(t) as a function of the value of .
  • the term moderation is generally between 0 and 1. It is all the lower as the value of is high.
  • self-sustaining oscillation an oscillation whose amplitude, in the absence of external disturbance, is stable, or considered as such, within statistical fluctuations.
  • FIG. 2C An example of self-sustaining oscillation is illustrated in FIG. 2C described later.
  • the amplification gain g(t) comprises the maximum gain Ga, which induces the oscillation, as well as the moderation term which makes it possible to obtain a stable oscillation in the time.
  • Amplification gains exhibiting analytical forms different from that explained in expression (2) are possible. It is for example possible to use another amplification gain g(t), preferably non-linear with respect to .
  • the amplification gain g(t) comprises a positive amplification term, in this case the maximum gain G ⁇ and a nonlinear moderation term with respect to and decreasing according to This makes it possible to obtain a self-sustained oscillation, that is to say an oscillation of stable amplitude over time, in the absence of stress exerted on the plate.
  • the processing unit 30 comprises an input 31 and an output 32.
  • the unit processing is supplied by a processing signal S proc (t).
  • the processing signal addressed to the processing unit depends on the input signal V in (t), or on the detection signal V d (t).
  • the processing signal S proc (t) is a quantity characteristic of the input signal V in (t), the quantity characteristic being for example the effective value:
  • the processing signal S proc (t) can also be a characteristic quantity of the output signal V out (t+dt), the latter corresponding to the amplified input signal.
  • the processing signal S proc (t) can also be the amplification gain g(t).
  • the processing signal S proc (f) can also be a frequency of the input signal.
  • the processing signal S proc (t) is determined from V in (t), and for example from a quantity characteristic of V in (t). We use the fact that is generally a function monotonous of the intensity F of the applied force. According to one possibility, S proc (t) depends on the frequency of V in (t). The fact that the frequency of V in (t) can vary, in particular according to a monotonic function, as a function of the intensity F of the applied force is then used.
  • the processing unit 30 comprises a comparator 33, allowing a comparison between the processing signal S proc (t) and a reference value S ref .
  • the comparison is a ratio.
  • could also be a difference.
  • the comparator 33 generates a force signal V F , representative of the comparison between S proc (t) and S ref .
  • the force signal V F equal or proportional to is representative of the force exerted by the finger 9 on the plate
  • the relationship between the force signal V F and the intensity F of the support force is linear.
  • Figure IC shows plate 10 in a reference configuration. No force is applied to the plate.
  • the amplitude of vibration 19 has been exaggerated.
  • the amplitude of the vibration of the plate is a few pm or a few tens of pm, typically between 0.1 pm and 50 pm.
  • the triggering of the self-sustained oscillation can be an uncontrolled vibration of the plate, following a movement of the interface 1. It can also be a vibration induced by an electronic noise in the electronic circuits forming the feedback loop. The effect of the electronic noise is then amplified by the amplifier, which leads to an activation of the actuation transducer 12 and to the vibration of the plate.
  • the plate gradually and spontaneously reaches a stabilized, self-sustaining reference operating regime, characterized by an amplitude and a vibration frequency.
  • the effective value of the signal V in (t) resulting from the detector 11 then reaches a reference value S ref which is stored in the processing unit 30.
  • the reference value S ref results from the spontaneous oscillation of the plate in the absence of pressure on the interface by an user. It is not a predetermined value.
  • S ref corresponds to the value of S proc (t) in the absence of support exerted on the plate.
  • FIG. 1D represents a measurement configuration, in which a finger 9 presses on the plate 10.
  • the pressing force exerted by the finger results in an attenuation of the amplitude vibration 19 of the plate 10. This leads to a decrease in the effective value of the signal resulting from the detector 11.
  • the contact with the finger modifies the transfer function of the actuation transducer system, plate, sensor. Under the effect of the feedback loop, the oscillator stabilizes at a new operating point. This results in a new effective value corresponding to the oscillator modified by pressing the finger.
  • the comparison makes it possible to quantify the intensity of the pressing force exerted by the finger on plaque.
  • the plate and the feedback loop form a self-sustaining oscillator.
  • the amplification circuit 20 makes it possible to maintain an oscillation measurable by the detector 11.
  • the oscillator makes it possible to obtain a measurable value, including for low levels, when the pressure exerted on the plate is high.
  • the oscillation, maintained by the amplification circuit 20, allows a measurement of force intensities according to a large dynamic.
  • the parameter n makes it possible to adjust the response of the device, so as to favor the dynamics or the measurement sensitivity, as described below, in connection with FIGS. 3F and 3G
  • a filter 13 is arranged between the sensor (or each sensor) and the amplification circuit 20. It may in particular be a band-pass filter, so as to define a bandwidth of vibration frequencies acceptable. The use of such a filter makes it possible to avoid the establishment of self-oscillation in frequencies outside the passband of the filter.
  • the optional filter 13 is shown in Figures 1C and 1D.
  • the input signal V in (t) then corresponds to the filtered detection signal V d (t).
  • the processing unit 30 is supplied with the signal V out (t + dt ) resulting from the electronic amplification circuit 20.
  • the processing unit 30 performs a comparison between the effective value of dt) and a reference value S ref
  • the comparator 33 generates a force signal V F , representative of the comparison between S proc (t+dt) and S ref .
  • the force signal V F representative of the force exerted on the plate, is equal or proportional to whatever the embodiment, the reference value S ref can correspond to the processing signal S proc (t) in the absence of force exerted on the plate, while the latter oscillates according to the stable self-oscillation regime .
  • FIG. 2A represents the main steps of a method for estimating a force exerted on the plate.
  • Step 100 measurement of an instantaneous value of an input signal V in (t) from the signal V d (t) detected by a detector 11 at a time t.
  • Step 120 supply of an actuation transducer using the signal V out (t+dt), then repetition of steps 100 to 120.
  • the effective value spontaneously reaches a stable reference value V ref , under the effect of the self-sustaining oscillation previously described.
  • the reference value V ref can be stored in the processing unit 30.
  • the step 110 can assume a calculation of an effective value of the input signal V in (t).
  • the gain amplification g(t) can use a characteristic quantity of the input signal V in (t), different from the effective value: it can for example be the amplitude of oscillation of V in (t) or of the absolute value of V in (t).
  • FIG. 2B an almost instantaneous establishment of an operating mode in self-sustained oscillation has been shown.
  • Figure 2C is a detail of Figure 2B according to a short time range.
  • Step 130 formation of the processing signal S proc (t).
  • the processing signal S proc (t) is established from V in (t). It can in particular be established from a characteristic quantity of V in (t) or from the frequency of V in (t). He is reminded that the term “characteristic quantity” designates a quantity quantifying the amplitude of the oscillation of a periodic signal.
  • the processing signal S proc (t) is the effective value of the input signal. Alternatively, it may be the value maximum.
  • the processing signal S proc (t) is established from a characteristic quantity of the output signal V out (t+dt).
  • Step 140 Estimation of an intensity of a support force.
  • Step 140 is implemented by processing unit 30, which calculates the force signal V F as a function of the characteristic magnitude resulting from step 130 and from S ref .
  • the force signal V F is representative of the intensity F of the bearing force exerted on the plate.
  • the conversion between V F and F can be obtained by calibration.
  • the force signal V F can be established from the effective value of V in (t) (or of V out (t+dt)) or other characteristic quantities (maximum value for example).
  • the processing signal S proc (t) is the effective value of the input signal.
  • the force signal V F results from a comparison between the signal of processing S proc (t) and the reference signal S ref , the latter being equal to the reference value V ref , which corresponds to the value of in the absence of a force pressing on the plate.
  • Step 150 (optional) Determination of a value of an operating parameter of the device 50.
  • Step 150 is implemented by control unit 40.
  • an operating parameter of device 50 controlled by interface 1
  • the operating parameter can be determined within a range of values, with each value being associated with an intensity of the force.
  • the operating parameter can also comprise only two possible values, for example 0 in the absence of force and 1 in the presence of a support force whose intensity is greater than a certain threshold.
  • Figure 2D sup shows the time evolution of the force applied to the plate.
  • FIG. 2D inf shows a temporal evolution of the force signal V F (t) (ordinate axis), the time corresponding to the abscissa axis (unit: seconds). It is observed that the application of a force of increasing intensity results in a reduction in the force signal V F , the minimum value reached being equal to 0.5.
  • Figure 2D illustrates the ability of the invention to establish an accurate quantification of an intensity of a tracking force, over a wide range.
  • Figure 2E represents a variation of the moderation term (axis of ordinates) as a function of (axis of abscissas - Volts), considering As previously indicated, the moderation term forms a decreasing function of It allows an adjustment of the amplification gain g(t) to the circuit input signal amplification, the gain being all the lower as the input signal is high.
  • FIG. 2F schematizes the attenuation of the oscillations induced by the plate, when the latter presents a linear behavior (curve a) and a nonlinear behavior (curve b).
  • the attenuation axis of ordinates
  • the attenuation has been represented as a function of the amplitude of the oscillations (axis of abscissas).
  • the nonlinear amplification of the oscillator can thus be partially or totally induced by the plate.
  • the amplifier 20 could implement a linear amplification, the amplification gain g(t) being constant.
  • the use of a non-linear and configurable amplification gain is advantageous, because it makes it possible to adjust the response of the system as needed, depending on whether one wishes to favor the dynamics, or the sensitivity or the linearity of the force signal. relative to the intensity of the applied force.
  • FIG. 3A schematizes the assembly.
  • Plate 10 included eleven piezoelectric transducers, of the Ceramtec PZT406 type. The transducers were regularly distributed along the same edge 10 2 of the plate. Ten transducers functioned as an actuating transducer 12, while a transducer, located at one end of the border, functioned as a detector 11.
  • the plate 10 was placed on a balance 2, so as to measure the force applied over time, at a sampling rate of 100 Hertz. 1s supports provided the interface between the plate and the balance. A force was applied locally, at a point preset of the plate.
  • the amplification circuit 20 implemented an amplification gain g(t) as explained in expression (2).
  • ⁇ 2
  • G C 0.15
  • a force F(t) of varying intensity over time was applied.
  • FIG. 3B represents the temporal evolution of the force applied to the plate during a test.
  • the force was applied periodically, for periods of about ls.
  • a processing signal S proc (t) was measured, the latter being: either the effective value of V in (t): cf. Figure 3C; or the amplification gain g(t): cf. 3D figure; or the oscillation frequency f(V in ) of V in (t): cf. Figure 3E.
  • FIG. 3F represents the force signal V F (axis of ordinates) as a function of the intensity of the force applied (axis of abscissas).
  • FIG. 3G represents, for each configuration, an exponential adjustment of the force signal as a function of the intensity of the force applied.
  • the force signal corresponded to a ratio of the effective value of the voltage measured at the terminals of the detector, to the effective value of the voltage measured in the absence of support exerted on the plate.
  • the results are shown in Figure 3F (curve AA).
  • the force signal is such that
  • the force signal V F is equal to 1.
  • the sensitivity of the force measurement corresponds to a variation of the output signal (i.e. V F ) with respect to a variation of the input signal (i.e. F(t)) .
  • This corresponds to the local slope of the curves shown in Figures 3F and 3G.
  • Another advantage is to be able to obtain a force signal varying linearly with respect to the intensity of the force applied.
  • FIGS. 3F and 3G show that the invention makes it possible to obtain better sensitivity in a wider measurement range than according to the prior art. Indeed, the curves representative of the prior art show a flattening effect occurring earlier, that is to say from lower force intensities than by implementing the invention.
  • FIGS. 4A and 4B illustrate another embodiment, according to which an intermediate component 15 extends between the detectors 11, as well as the actuation transducers 12, and the plate 10.
  • the intermediate component is a screen 15, allowing an image to be displayed through the plate 10, the latter being transparent.
  • the sensors and actuation transducers are not arranged in contact with the plate 10. They are mechanically coupled to the plate 10 via the screen 15. The latter is sufficiently rigid to transmit the vibrations between the plate 10 on the one hand and the actuation transducers 12 and detectors 11 on the other hand.
  • FIG. 4C represents an example configuration of the interface, in which the adjustment zone 10' is delimited, on the screen 15, by an outline 15.
  • the screen also shows a gauge 15 a , extending between a min minimum value and a max maximum value. The greater the force exerted by the finger on the adjustment zone 10', the closer the shaded zone, inside the gauge, to the maximum level.
  • the screen 15 can be equipped with a localization circuit, for example a capacitive circuit, allowing localization of the pressure of the finger on the screen 15, through the plate 10.
  • a localization circuit for example a capacitive circuit
  • FIG. 4D six adjustment zones of the plate, respectively delimited, on the screen, by contours 15' i, 15' 2 , 15' 3 , 15' 4 , 15's and 15' 6 .
  • Each adjustment zone is respectively dedicated to the adjustment of an operating parameter P 1 , P 2 , P 3 , P 4 , P 5 and P 6 .
  • control unit 40 establishes a control signal according to a level of force resulting from the processing unit 30, and according to a position of the fulcrum resulting from the circuit of location.
  • the plate can be vibrated by auxiliary transducers 14, so as to induce ultrasonic vibration of the plate.
  • the auxiliary transducers are powered by a setpoint actuation signal, defining an amplitude and a frequency of vibration.
  • the ultrasonic vibration can induce a haptic effect on the finger touching the interface, that is to say a feeling of texture or a feeling of clicking in particular depending on the intensity of the pressing force F detected.
  • haptic feedback we mean setting the plate into vibration, according to a predetermined vibration time sequence, and according to an ultrasonic frequency, the time sequence being configured to cause a feeling of texturing of the plate by the external body touching the plaque.
  • the vibration leads to a modification of the friction between the external body and the plate, which induces a perception of texturing.
  • the haptic feedback can consist in setting the plate in vibration, according to a predetermined setpoint amplitude, for a short period, for example a few tens or hundreds of ms.
  • the plate is vibrated according to a predetermined vibration amplitude.
  • the plate can be vibrated so as to induce a haptic effect felt by the finger.
  • the haptic effect forms a haptic feedback of the interface.
  • a step 160 can be implemented, aimed at producing the haptic feedback.
  • an actuation transducer 12 or each actuation transducer is connected to a switch 16.
  • Each switch 16 is configured to connect the actuation transducer: - either to the circuit amplification 20: the plate then vibrates according to a spontaneous, self-sustained oscillation regime: the device then allows an estimation of a support force - either to an auxiliary power supply 18, imposing a setpoint signal according to a frequency setpoint and a setpoint vibration amplitude: the device then operates according to a conventional ultrasonic haptic interface.
  • the actuating transducer 12 then behaves like an auxiliary transducer 14.
  • the switch 16 can allow switching between the two modes: either the self-sustaining oscillation mode, when the actuation transducer is connected to the amplification circuit 20, so as to measure a pressing force; - or a forced vibration mode, according to a set frequency and amplitude, so as to induce haptic feedback.
  • the actuation transducer then forms an auxiliary transducer.
  • the invention can be applied to form a control interface for devices, for example devices for the general public, for example in the field of household appliances or the dashboard of vehicles. It can also be applied in interfaces of professional equipment.

Abstract

Interface tactile comportant : ‐ une plaque (10), définissant une surface de contact (10e) destinée à être touchée par un corps externe; ‐ au moins un transducteur d'actionnement (12), configuré pour mettre en vibration la plaque (10), en fonction d'un signal d'activation; ‐ au moins un détecteur (11) configuré pour détecter une amplitude d'une vibration de la plaque et pour générer un signal de détection (Vin) dépendant de l'amplitude de vibration détectée; ‐ un circuit de d'amplification (20), s'étendant entre une entrée (21) et une sortie (22), l'entrée étant reliée au détecteur et la sortie étant reliée au transducteur d'actionnement; l'interface étant caractérisée en ce qu'elle comporte une unité de traitement (30) configurée pour :. estimer une intensité d'une force (F) exercée par le corps externe sur la surface de contact (10e);. générer un signal de force, dépendant de l'intensité de la force estimée.

Description

Description
Titre : Interface tactile permettant une mesure d'une intensité d'une force d'appui.
DOMAINE TECHNIQUE L'invention est une interface utilisateur configurée pour mesurer une force d'appui exercée par un corps externe touchant la -surface de contact de l'interface.
ART ANTERIEUR
Un grand nombre d'appareils commercialisés sont aujourd'hui commandés par des interfaces tactiles. Ce type d'interface comporte généralement une surface tactile, ce qui permet une commande simple et interactive de l'appareil. L'appareil peut être un téléphone portable, un équipement électroménager, un équipement d'une voiture, ou un outil professionnel.
La plupart des écrans tactiles actuels comportent des capteurs permettant une détection du contact d'un doigt par effet capacitif. Pour cela, ces écrans comportent une surface de contact, couplée capacitivement à un maillage conducteur transparent. Cela permet de localiser une zone de l'écran touchée par le doigt d'un utilisateur. La localisation du contact est suffisamment performante pour permettre de piloter un appareil par la position du doigt ou par une trajectoire du doigt le long de l'écran, ou encore par des paramètres dynamiques de déplacement du doigt, tels qu'une vitesse ou une accélération. Cependant, si la détection capacitive est performante pour localiser un contact d'un doigt sur la surface de contact d'un écran, elle ne permet pas de quantifier la force exercée par le doigt. La détection de contact est une détection de type tout ou rien, et ne détermine que le contact d'un doigt ou l'absence de contact.
Le brevet US10860107 décrit une interface tactile et un procédé permettant d'estimer une intensité d'une force d'appui exercée sur une interface tactile vibrante. L'interface tactile comporte une plaque rigide, cette dernière étant mise en vibration par des transducteurs d'actionnement. Les transducteurs d'actionnement sont paramétrés pour générer une vibration de la plaque selon une amplitude de consigne dont le niveau est prédéterminé. L'appui d'un doigt sur la plaque entraîne une variation de l'amplitude de vibration par rapport à l'amplitude de consigne, ce qui permet de détecter l'appui et de quantifier la force exercée par l'appui sur la plaque. Les inventeurs ont constaté que l'approche décrite dans ce brevet est fiable. Cependant, certaines applications demandent une dynamique de mesure importante c'est-à-dire une plage de mesure étendue. Il s'agit par exemple d'applications dans lesquelles on souhaite déterminer la valeur d'un paramètre de fonctionnement d'un appareil, cette valeur pouvant varier dans une plage étendue. Les inventeurs ont conçu une interface tactile permettant d'estimer une intensité d'une force d'appui exercée sur une interface tactile, présentant une dynamique de mesure améliorée.
EXPOSE DE L'INVENTION
Un premier objet de l'invention est une interface comportant :
- une plaque, définissant une surface de contact destinée à être touchée par un corps externe ;
- au moins un transducteur d'actionnement, configuré pour mettre en vibration la plaque en fonction d'un signal d'activation ;
- au moins un détecteur configuré pour détecter une amplitude d'une vibration de la plaque et pour générer un signal de détection, le signal de détection oscillant selon une amplitude d'oscillation dépendant de l'amplitude de vibration détectée ;
- un circuit d'amplification, s'étendant entre une entrée et une sortie, l'entrée étant reliée au détecteur et la sortie étant reliée au transducteur d'actionnement; l'interface étant caractérisée en ce que :
- le circuit d'amplification est configuré pour être alimenté par un signal d'entrée, le signal d'entrée étant un signal oscillant établi à partir du signal de détection ;
- le circuit d'amplification comporte un amplificateur, configuré pour amplifier le signal d'entrée, en lui appliquant un gain d'amplification, de façon à adresser un signal de sortie au transducteur d'actionnement, le signal de sortie correspondant au signal d'entrée amplifié, le signal de sortie formant le signal d'activation du transducteur d'actionnement;
- le ou chaque détecteur, le ou chaque transducteur d'actionnement, et le circuit d'amplification forment une boucle de rétroaction ; et en ce que l'interface comporte une unité de traitement, alimentée par un signal de traitement, le signal de traitement dépendant du signal d'entrée ou du signal de détection, l'unité de traitement étant configurée pour :
• comparer le signal de traitement avec un signal de référence ;
• générer un signal de force à partir de la comparaison, le signal de force étant représentatif d'une intensité de la force appliquée sur la plaque par le corps externe. De préférence, le gain d'amplification dépend, de façon non linéaire, du signal d'entrée.
Ainsi, la plaque et la boucle de rétroaction peuvent former un oscillateur auto-entretenu.
Selon un mode de réalisation, le signal de référence correspond au signal de traitement en l'absence de force exercée sur la plaque par le corps externe.
Le signal de traitement peut être établi à partir :
- d'une grandeur caractéristique du signal d'entrée, la grandeur caractéristique quantifiant l'amplitude d'oscillation du signal d'entrée ;
- et/ou d'une fréquence d'oscillation du signal d'entrée.
Le signal de traitement peut être établi à partir :
- d'une grandeur caractéristique du signal de détection, la grandeur caractéristique quantifiant l'amplitude d'oscillation du signal de détection ;
- et/ou d'une fréquence d'oscillation du signal de détection.
Selon un mode de réalisation, le gain d'amplification dépend d'une grandeur caractéristique du signal d'entrée, la grandeur caractéristique quantifiant l'amplitude d'oscillation du signal d'entrée. Le gain d'amplification peut être décroissant en fonction de la grandeur caractéristique du signal d'entrée.
Le gain d'amplification peut comporter un gain maximal pondéré par un terme de modération, de telle sorte que le gain d'amplification est d'autant plus faible que la grandeur caractéristique du signal d'entrée est élevée.
Le gain d'amplification peut être maximal lorsque la grandeur caractéristique du signal d'entrée atteint une valeur minimale prédéterminée.
Le gain d'amplification peut être minimal lorsque la grandeur caractéristique du signal d'entrée atteint une valeur supérieure ou égale à une valeur seuil.
Selon un mode de réalisation, un écran est accolé sur la plaque, tout ou partie de la plaque étant transparente.
La plaque peut présenter une fréquence de vibration résonante comprise entre 20 kHz et 200 kHz.
Au moins un transducteur d'actionnement peut être un transducteur piézoélectrique. Au moins un détecteur peut être un transducteur piézoélectrique.
L'interface peut comporter une unité de contrôle, l'unité de contrôle étant configurée pour adresser un signal de contrôle à un appareil, relié à l'interface, en fonction du signal de force. L'interface peut comporter un circuit de localisation, configuré pour déterminer une position d'un point de contact entre le corps externe et la plaque. L'interface peut comporter un filtre, disposé entre le détecteur et le circuit d'amplification, le filtre étant configuré pour définir une bande passante fréquentielle du signal d'entrée adressé au circuit d'amplification. Ainsi, le signal d'entrée est obtenu à partir d'un filtrage du signal de détection.
Selon un mode de réalisation,
- la plaque est reliée à au moins un transducteur auxiliaire distinct d'un transducteur d'actionnement, le transducteur auxiliaire étant relié à une alimentation auxiliaire, le transducteur auxiliaire étant configuré pour mettre la plaque en vibration, selon une amplitude de vibration de consigne, prédéterminée, et selon une fréquence de vibration ultrasonique, de façon à produire un effet de retour haptique;
- l'interface est configurée pour activer le transducteur auxiliaire, ou chaque transducteur auxiliaire, lorsque le signal de force franchit un seuil prédéterminé.
Selon un mode de réalisation, un transducteur d'actionnement est relié à un commutateur, le commutateur étant configuré pour:
- relier le transducteur d'actionnement au circuit d'amplification, de façon à mesurer la force exercée sur la plaque ;
- ou relier le transducteur d'actionnement à une alimentation auxiliaire, de telle sorte que l'alimentation auxiliaire applique un signal de consigne au transducteur d'actionnement, le transducteur d'actionnement étant alors configuré pour mettre la plaque en vibration, selon une amplitude de vibration de consigne, prédéterminée, et selon une fréquence de vibration ultrasonique, de façon à produire un effet de retour haptique.
Un deuxième objet de l'invention est un procédé d'estimation d'une force exercée sur une plaque d'une interface selon le premier objet de l'invention, le procédé comportant : a) application d'un corps externe sur la plaque, en exerçant une force sur la plaque ; b) à l'aide de l'unité de traitement, estimation d'une intensité de la force exercée par le corps externe sur la plaque.
Un troisième objet de l'invention est un procédé de commande d'un appareil, à l'aide d'une interface selon le premier objet de l'invention, l'appareil étant paramétré par au moins un paramètre de fonctionnement, le procédé comportant :
- application d'un corps externe sur la plaque, en exerçant une force sur la plaque;
- détermination d'une intensité de la force par l'unité de traitement de l'interface ;
- en fonction de l'intensité de la force, génération d'un signal de commande, par l'interface, de façon à ajuster une valeur du paramètre de fonctionnement de l'appareil. L'interface peut notamment être une interface tactile.
Le corps externe peut être un doigt ou un stylet.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de l'exposé des exemples de réalisation présentés, dans la suite de la description, en lien avec les figures listées ci-dessous.
FIGURES
Les figures IA à 1E représentent un premier mode de réalisation d'une interface tactile.
La figure 2A schématise les principales étapes d'un procédé d'estimation d'une intensité d'une force en mettant en oeuvre une interface selon l'invention.
La figure 2B illustre l'établissement d'un régime d'auto-oscillation entretenu sur une plaque couplée à une boucle de rétroaction.
La figure 2C est un détail de la figure 2B.
La figure 2D comporte une partie supérieure et une partie inférieure. La partie supérieure 2Dsup représente l'évolution temporelle, de forme gaussienne, d'une force d'appui appliquée sur l'interface (en Newton N). La partie inférieure 2Dinf montre différents signaux de force, générés par une interface tactile selon l'invention (axe des ordonnées), en fonction du temps (axe des abscisses), pour différentes intensités de force appliquées, en suivant l'évolution temporelle tracée sur la figure 2Dsup. Chaque signal de force est représentatif de l'intensité d'une force appliquée en fonction du temps.
La figure 2E montre une évolution d'un terme de modération du gain d'amplification en fonction de la valeur efficace du signal d'entrée du circuit d'amplification.
La figure 2F schématise l'atténuation de la vibration d'une plaque, en fonction de l'amplitude de vibration, dans le cas d'un comportement linéaire (courbe a) et d'un comportement non linéaire (courbe b).
Les figures 3A schématise une interface utilisée pour réaliser des essais expérimentaux.
La figure 3B montre différentes intensités de force appliquées sur l'interface, en fonction du temps, au cours des essais expérimentaux.
Les figures 3C, 3D et 3E montrent différents signaux de traitement en fonction de l'intensité de la force appliquée. Les signaux de traitement sont respectivement l'amplitude efficace du signal d'entrée (fig. 3C), le gain d'amplification (fig. 3D) et la fréquence du signal d'entrée (fig. 3E).
La figure 3F représente différents signaux de force mesurés en fonction d'intensités de forces appliquées sur l'interface. Chaque point de la figure correspond à un couple intensité de force - signal de force. Sur la figure 3F, les signaux de force ont été déterminés en prenant en compte trois gains d'amplification différents, paramétrés par un paramètre n. On a également représenté des signaux de force obtenus en mettant en oeuvre une configuration de l'art antérieur.
La figure 3G montre des courbes d'ajustement des nuages de points de la figure 3F en prenant en compte une fonction d'ajustement exponentielle.
Les figures 4A et 4B représentent un deuxième mode de réalisation d'une interface tactile, dans lequel l'interface tactile comporte un écran capacitif.
Les figures 4C et 4D illustrent des exemples de mise en oeuvre de l'interface tactile décrite en lien avec les figures 4A et 4B.
La figure 5A schématise un mode de réalisation d'une interface comportant des transducteurs d'actionnement permettant d'induire un retour haptique de l'interface.
La figure 5B est une variante du mode de réalisation décrit en lien avec la figure 5A.
EXPOSE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS
Les figures IA à 1E représentent un exemple d'interface 1 selon l'invention. L'interface comporte une plaque 10 destinée à être touchée par un corps externe 9. Dans les exemples représentés dans cette demande, le corps externe 9 est un doigt, ce qui correspond à la plupart des applications envisagées. De façon alternative, le corps externe 9 peut être un stylet, ou tout autre moyen permettant d'agir sur la plaque 10.
L'interface est reliée à un appareil 50. L'appareil 50 peut être, de façon non limitative, un appareil de communication, d'informatique, une machine, un équipement électroménager, un tableau de bord d'un véhicule. Le fonctionnement de l'appareil 50 est régi par au moins un paramètre de fonctionnement. L'interface tactile 1 est destinée au réglage d'une valeur du paramètre de fonctionnement de l'appareil 50.
La plaque 10 comporte une zone de réglage 10', destinée au réglage du paramètre sous l'effet d'un appui exercé par le doigt 9. Selon différentes possibilités d'application :
- en appuyant sur l'interface, au-delà d'une certaine intensité de force, l'interface peut faire apparaître un menu interactif ou un bouton de réglage virtuel;
- au-delà d'un certain seuil d'une force d'appui sur l'interface, un bouton virtuel de l'interface devient actionnable, de façon à pouvoir régler un paramètre ;
- au-delà d'un certain seuil d'une force d'appui sur l'interface, l'interface peut générer un retour haptique, par exemple un effet de clic.
Selon une autre possibilité d'application, la valeur du paramètre est progressivement augmentée lorsque le doigt appuie sur la plaque, dans la zone de réglage. L'appareil est par exemple un système multimédia d'un véhicule. Le paramètre peut par exemple être le volume sonore du système multimédia. Plus on appuie, plus le volume sonore est élevé.
La plaque 10 est rigide. Elle s'étend entre une face externe 10e et une face interne 10,. La face externe 10e forme une surface de contact, destinée à être touchée par le doigt 9. La face interne 10i et la face externe 10e s'étendent de préférence l'une parallèlement à l'autre. La distance entre la face externe 10e et la face interne 10, définit une épaisseur e de la plaque. L'épaisseur e de la plaque est dimensionnée pour permettre une vibration de la plaque 10, de préférence selon une fréquence de vibration ultrasonique. L'épaisseur e de la plaque 10 est de préférence inférieure à 10 mm, voire inférieure à 5 mm. L'épaisseur e est ajustée en fonction de la nature du matériau et de ses propriétés mécaniques (rigidité, solidité). Elle est par exemple comprise entre 1 et 5 mm pour du verre ou un matériau tel que le plexiglas.
Dans l'exemple représenté, la face interne 10, et la face externe 10e sont planes, ce qui correspond à la configuration la plus simple à fabriquer. La plaque s'étend, parallèlement à un axe latéral X, selon une largeur l et, parallèlement à un axe longitudinal Y, selon une longueur L. La longueur L et la largeur l peuvent être comprises entre 5 cm et quelques dizaines de cm, par exemple 30 cm, voire davantage. L'axe latéral X et l'axe longitudinal Y définissent un plan principal PXY. Dans d'autres exemples, la face interne 10, et/ou la face externe 10e peut être incurvée. La surface de la plaque 10 est de préférence supérieure à 1 cm2, voire à 10 cm2 ou 50 cm2.
La plaque 10 est formée d'un matériau rigide, tel que le verre, ou un polymère, ou du bois, ou un métal, ou un semi-conducteur, par exemple le silicium. La plaque 10 peut être transparente ou opaque. La plaque 10 peut comporter des parties opaques et des parties transparentes.
Dans cet exemple, la plaque 10 est délimitée, selon l'axe latéral X, par une première bordure latérale 10i et une deuxième bordure latérale IO2.
La plaque est destinée à être mise en vibration, en particulier selon une vibration spontanée, auto-entretenue comme décrit par la suite. Par vibration spontanée, on entend une vibration qui n'est pas initialement spécifiée en fonction d'une consigne adressée au système d'actionnement, en particulier une consigne d'amplitude et/ou de fréquence. Au voisinage de la première bordure latérale 10i, la plaque 10 est reliée à un ou plusieurs détecteurs 11. Par « au voisinage », on entend à une distance de préférence inférieure à 2 cm. Dans cet exemple, chaque détecteur 11 est un transducteur piézoélectrique utilisé comme capteur. Chaque détecteur 11 n'a pas d'action motrice sur la plaque 10, mais permet une détection de l'amplitude de vibration de la plaque selon une fréquence d'échantillonnage. La fréquence d'échantillonnage est par exemple égale à quelques kHz, quelques dizaines de kHz, ou quelques centaines de kHz.
Au voisinage de la deuxième bordure latérale IO2, un ou plusieurs transducteurs d'actionnement 12 sont reliés à la plaque 10.
Les transducteurs d'actionnement 12 sont configurés pour être activés par un signal d'activation électrique. Sous l'effet du signal d'activation, les transducteurs d'actionnement exercent une pression sur la plaque 10 de manière à produire une déformation locale de la plaque, par exemple selon une direction perpendiculaire à la plaque. Lorsque le signal d'activation est périodique, la déformation de la plaque 10 est périodique, ce qui entraîne une formation d'une vibration 19. La vibration peut par exemple être engendrée par une onde de flexion se formant à travers la plaque. L'onde de flexion peut être stationnaire ou progressive. Selon d'autres possibilités, la vibration peut être une onde différente d'une onde de flexion, par exemple une onde de compression. Un exemple de vibration 19 est schématisé sur les figures IC et 1D.
La disposition des détecteurs 11 et des transducteurs d'actionnement 12 en bordure de la plaque 10 ne constitue pas une condition nécessaire : les détecteurs ou les transducteurs peuvent être disposés selon d'autres configurations, par exemple sous la forme d'une ligne, au milieu de la plaque, ou d'une matrice, ou à des positions avantageusement choisies comme des ventres de vibration dans le cas d'une onde stationnaire. La position des ventres de vibration peut être déterminée par simulation ou par une caractérisation expérimentale préalable.
Chaque détecteur 11 et/ou chaque transducteur d'actionnement 12 peut être un transducteur de type piézoélectrique, comportant un matériau piézoélectrique, par exemple AIN, ZnO ou PZT, disposé entre deux électrodes. Il peut par exemple s'agir de la référence PZT 406. Les détecteurs 11 ou les transducteurs d'actionnement 12 peuvent être tels que le matériau piézoélectrique est déposé, sous une forme d'une ou plusieurs couches minces, entre des électrodes de polarisation.
De façon alternative, un détecteur ou un transducteur d'actionnement peut être un résonateur électromécanique, par exemple de type MEMS (Micro ElectroMechanical System - microrésonateur électromécanique), ou de type électrostrictif ou magnétostrictif.
L'interface 1 comporte un circuit électronique d'amplification 20, relié à au moins un détecteur 11 et à un transducteur d'actionnement 12. La fonction du circuit électronique d'amplification est décrite en lien avec les figures IB à 1E. Dans cet exemple, le circuit électronique d'amplification 20 est disposé sous la plaque 10.
L'interface tactile 1 comporte une unité de traitement 30, destinée à estimer une force d'appui exercée par le corps externe 9 sur la plaque 10. La fonction de l'unité de traitement 30 est décrite en lien avec les figures IB à 1E.
L'interface tactile 1 comporte une unité de commande 40, destinée à piloter l'appareil 50 piloté par l'interface. Dans cet exemple, l'unité de commande 40 transmet la valeur du paramètre de fonctionnement, résultant de l'action du doigt 9 sur la plaque, à l'appareil 50. L'unité de commande 40 peut comporter un microprocesseur, de façon à pouvoir établir un signal de commande en fonction d'un niveau de force résultant de l'unité de traitement 30.
La figure IB représente une vue en coupe de l'interface tactile. Le circuit d'amplification 20 s'étend entre une entrée 21 et une sortie 22. L'entrée du circuit d'amplification est reliée à au moins un détecteur 11. La sortie 22 du circuit d'amplification est reliée à au moins un transducteur d'actionnement 12. Le circuit d'amplification 20 comporte un amplificateur 23, destiné à amplifier le signal d'entrée Vin(t), délivré par le détecteur 11 à un instant t, de façon à établir un signal de sortie Vout(t + dt), à un instant ultérieur t + dt, tel que :
Vout(t + dt) = g(t)Vin(t) (1) où g(t) correspond à un gain d'amplification, et dt dépend de la fréquence d'échantillonnage. Plus précisément, dt est l'inverse de la fréquence d'échantillonnage. Le signal de sortie Vout(t + dt ) résultant du circuit d'amplification 20 forme un signal d'activation du transducteur d'actionnement 12 à l'instant t + dt.
Le gain d'amplification g(t) est par exemple tel que :
Figure imgf000011_0001
où : est le gain d'amplification ;
Figure imgf000011_0002
- G est un gain appelé « gain critique » , - a est un réel positif strictement supérieur à 1, permettant un ajustement de la valeur d'un gain maximal Ga, le gain maximal étant positif. - n est un réel strictement positif ; est une grandeur caractéristique positive de Vin(t). est par exemple une
Figure imgf000012_0002
Figure imgf000012_0012
estimation de la valeur efficace (RMS) de Vin(t), ou une estimation de l'amplitude d'oscillation de Vin(t). Peut être calculée à partir de Vin(t) en prenant en compte
Figure imgf000012_0011
une période ou plusieurs périodes, par exemple entre 10 et 100 périodes. De façon alternative, peut être égal à - D'une façon plus générale, par grandeur
Figure imgf000012_0013
Figure imgf000012_0003
caractéristique, on entend une grandeur permettant de quantifier l'amplitude d'oscillation d'un signal périodique. est une valeur seuil maximale de au-delà de laquelle g(t) = 0.
Figure imgf000012_0014
est un terme de modération, dont l'effet, sur le gain d'amplification, est
Figure imgf000012_0001
décrit par la suite.
Dans la suite de la description, de façon non limitative, est la valeur efficace de
Figure imgf000012_0004
Figure imgf000012_0015
Les signaux Vin et Vout sont des signaux alternatifs (i-e oscillants), du fait de la vibration de la plaque, les grandeurs Vin(t) et Vout(t) correspondent à des signaux instantanés à chaque instant t. Le signal d'entrée Vin est formé à partir d'un signal de détection Vd, résultant d'un détecteur 11. Dans cet exemple, le signal d'entrée Vin correspond au signal de détection Vd, c'est-à-dire Vin = Vd. Selon d'autres possibilités, le signal d'entrée Vin est établi à partir du signal de détection Vd. Il peut par exemple s'agir d'un signal de détection filtré, comme décrit par la suite. Les paramètres α, n et
Figure imgf000012_0010
permettent d'ajuster le gain d'amplification g(t), c'est- à-dire une plage de variation de Vout(t + dt) en fonction de Vin(t).
Les paramètres α et n permettent d'ajuster la réponse du système de mesure de force, réponse explicitée par la suite en lien avec les figures 3F et 3G.
Plus est faible, plus le gain d'amplification g(t) tend vers le gain maximal Gα. Le gain maximal est atteint lorsque atteint une valeur prédéterminée, dans cet exemple égale à
Figure imgf000012_0006
0. Lorsque tend vers Vmax, le gain d'amplification décroît, et
Figure imgf000012_0007
Figure imgf000012_0005
tend vers une valeur minimale qui est ici égale à 0. Ainsi, le gain d'amplification g(t) est une fonction décroissante de
Figure imgf000012_0008
Un aspect important de l'invention est que le (ou chaque) détecteur 11, le circuit d'amplification
20 et le (ou chaque) transducteur 12 forment une boucle de rétroaction reliée à la plaque 10.
Lorsque le détecteur 11 capte une vibration de la plaque, il génère un signal de détection Vd(t), à partir duquel on forme un signal d'entrée Vin(t) du circuit d'amplification 20, dont la valeur efficace est Le signal d'entrée Vin(t) est amplifié par le circuit d'amplification 20, sous
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réserve que
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Le circuit d'amplification 20 établit un signal de sortie Vout(t + dt) = g(t)Vin(t) , ce dernier étant adressé au transducteur d'actionnement 12. La plaque 10 et la boucle de rétroaction se comportent alors comme un oscillateur auto-entretenu : l'oscillation se maintient selon une amplitude qui se stabilise. Les pertes d'énergie, au niveau de la plaque (atténuation des vibrations), ou des interfaces plaque/détecteur ou plaque/transducteur sont compensées par le circuit d'amplification 20, ce dernier étant alimenté par une alimentation électrique externe. On note que contrairement à l'interface décrite dans l'art antérieur, la plaque ne vibre pas selon une amplitude ou une fréquence de consigne prédéterminée. Lorsqu'il s'agit de mesurer une intensité d'une force, le transducteur d'actionnement de la plaque n'est pas commandé de manière à mettre la plaque en vibration selon une amplitude ou une fréquence de consigne. La plaque vibre selon une amplitude spontanée, résultant de l'oscillation auto-entretenue par l'oscillateur formé par la plaque et la boucle de rétroaction.
Comme tout système mécanique, la plaque possède des modes de vibration (fréquences et amplitude de résonance) qui lui sont propres. La plaque entre spontanément en vibration selon une fréquence de résonance, dépendant du matériau, des dimensions de la plaque, de la position du (ou de chaque) transducteur d'actionnement 12 et de chaque détecteur 11, ainsi que des circuits électriques formant la boucle de rétroaction. Il est préférable que la fréquence de résonance de la plaque soit ultrasonique. Cela rend la vibration inaudible par un utilisateur touchant l'interface ou la plaque. La fréquence de résonance est de préférence comprise entre 20 kHz et 200 kHz.
Alternativement, la plaque peut entrer en vibration par un amorçage d'un ou plusieurs transducteurs d'actionnement 12. Selon cette alternative, un bref signal d'amorçage, par exemple sinusoïdal, est adressé de façon à initier la vibration. Cette dernière s'auto-entretient ensuite du fait de l'action de la boucle de rétroaction. Le signal d'amorçage peut être produit par le circuit d'amplification 20. La fréquence du signal d'amorçage est de préférence préalablement définie, sur la base d'une modélisation ou d'un a priori quant à la fréquence des oscillations de la plaque.
Selon une possibilité, pour des raisons de facilité d'intégration avec des circuits électroniques existant, la fréquence d'oscillation peut être imposée.
La valeur du gain critique G peut être déterminée sur la base du retour d'expérience ou d'essais. Elle correspond à la valeur à partir de laquelle le signal Vin(t) est d'amplitude constante et stabilisée sur une fenêtre de temps, en utilisant un gain d'amplification glin constant (i-e indépendant de Vin(t)), tel que décrit en lien avec l'expression (2'). En mettant en oeuvre un gain d'amplification constant, la relation entre Vout(t + dt ) et Vin(t) est linéaire :
Vout(t + dt) = g(t)(Vin(t)) = glinVin{t) (2') Autrement dit, G peut être la valeur minimale de glin à partir de laquelle le système, mettant en oeuvre le gain d'amplification linéaire glin, est oscillant.
Lors d'une phase d'essais, la valeur du gain critique G peut être déterminée, en utilisant la relation linéaire explicitée dans (2'), de façon que le système formé par la plaque et la boucle de rétroaction se comportent comme un oscillateur : l'amplitude du signal Vin(t) atteint une valeur non nulle, constante et stabilisée sur une fenêtre de temps. Cette valeur du gain critique G peut ensuite être utilisée dans le gain d'amplification g(t) décrit dans (2).
Alternativement, la valeur du gain critique G peut être déterminée sur la base d'essais en utilisant directement le système oscillant basé sur le gain d'amplification g(t) décrit dans l'expression 2, en recherchant la valeur minimale de G au-delà de laquelle le système devient oscillant avec α=l.
Alternativement, on peut essayer successivement différentes valeurs de Gα jusqu'à ce que le signal Vin(t) atteigne une amplitude non nulle constante et stabilisée sur une fenêtre de temps. Dans ce cas, le gain g(t) tend vers le gain critique G.
Lorsque l'oscillateur fonctionne selon un régime d'auto-oscillation, en considérant le gain d'amplification g(t) explicité dans (2), g(t) tend vers G.
Dans le régime d'auto-oscillation auto-entretenu, l'énergie mécanique de l'oscillation, dissipée dans la plaque, est compensée par l'énergie électrique injectée par le circuit d'amplification. Ce dernier apporte l'énergie nécessaire au maintien de l'oscillation.
Dans l'expression (2), le paramètre α correspond à un facteur multiplicatif, de telle sorte que le gain maximal Gα soit suffisamment supérieur au gain critique G pour que le système soit toujours oscillant. Le paramètre α peut être par exemple compris entre 1 et 10 .
Dans l'expression (2), le terme est un terme de modération, permettant d'ajuster
Figure imgf000014_0001
le gain d'amplification g(t) en fonction de la valeur de . Le terme de modération est
Figure imgf000014_0002
généralement compris entre 0 et 1. Il est d'autant plus faible que la valeur de est élevée.
Figure imgf000014_0003
Le terme de modération permet d'obtenir une stabilité de l'auto-oscillation, ce qu'on appelle oscillation auto-entretenue. Par oscillation auto-entretenue, on entend une oscillation dont l'amplitude, en l'absence de perturbation extérieure, est stable, ou considérée comme telle, aux fluctuations statistiques près. Un exemple d'oscillation auto-entretenue est illustré sur la figure 2C décrite par la suite.
Ainsi, le gain d'amplification g(t) comporte le gain maximal Ga, qui induit l'oscillation, ainsi que le terme de modération qui permet d'obtenir une oscillation stable dans le
Figure imgf000015_0001
temps.
Des gains d'amplification présentant des formes analytiques différentes de celle explicitée dans l'expression (2) sont possibles. Il est par exemple possible d'utiliser un autre gain d'amplification g(t), de préférence non-linéaire par rapport à . D'une façon générale, il est préférable
Figure imgf000015_0005
que le gain d'amplification g(t) comporte un terme d'amplification positif, en l'occurrence le gain maximal Gα et un terme de modération non linéaire par rapport à
Figure imgf000015_0002
Figure imgf000015_0003
et décroissant en fonction de
Figure imgf000015_0004
Cela permet d'obtenir une oscillation auto-entretenue, c'est-à-dire une oscillation d'amplitude stable dans le temps, en l'absence de contrainte exercée sur la plaque.
Lorsque le corps externe exerce une force d'appui sur la plaque 10, l'auto-oscillation de la plaque est perturbée. Il en résulte une variation du signal de détection Vd(t), détecté par un détecteur 11. Il en résulte une variation du signal d'entrée, ce dernier dépendant du signal de détection. La variation du signal de détection Vd(t) ou du signal d'entrée yin(t)est exploitée par l'unité de traitement 30. L'unité de traitement 30 comporte une entrée 31 et une sortie 32. L'unité de traitement est alimentée par un signal de traitement Sproc(t). D'une façon générale, le signal de traitement adressé à l'unité de traitement dépend du signal d'entrée Vin(t), ou du signal de détection Vd(t). Dans l'exemple représenté (figures IB, IC et 1D), le signal de traitement Sproc(t) est une grandeur caractéristique du signal d'entrée Vin(t), la grandeur
Figure imgf000015_0006
caractéristique étant par exemple la valeur efficace :
Figure imgf000015_0007
Le signal de traitement Sproc(t) peut également être une grandeur caractéristique
Figure imgf000015_0008
du signal de sortie Vout(t + dt), ce dernier correspondant au signal d'entrée amplifié. Le signal de traitement Sproc(t) peut également être le gain d'amplification g(t). Le signal de traitement Sproc(f) peut également être une fréquence du signal d'entrée. D'une façon générale, le signal de traitement Sproc(t) est déterminé à partir de Vin(t), et par exemple à partir d'une grandeur caractéristique de Vin(t). On utilise le fait que est généralement une fonction
Figure imgf000015_0009
Figure imgf000015_0010
monotone de l'intensité F de la force appliquée. Selon une possibilité, Sproc(t) dépend de la fréquence de Vin(t). On utilise alors le fait que la fréquence de Vin(t) peut varier, notamment selon une fonction monotone, en fonction de l'intensité F de la force appliquée.
L'unité de traitement 30 comporte un comparateur 33, permettant une comparaison entre le signal de traitement Sproc(t) et une valeur de référence Sref. Dans cet exemple, la comparaison est un ratio . || pourrait également s'agir d'une différence. Le comparateur 33 génère un
Figure imgf000016_0001
signal de force VF, représentatif de la comparaison entre Sproc(t) et Sref. Le signal de force VF, égal ou proportionnel à est représentatif de la force exercée par le doigt 9 sur la plaque
Figure imgf000016_0002
10. De préférence, sans que cela soit une condition nécessaire, la relation entre le signal de force VF et l'intensité F de la force d'appui est linéaire.
La figure IC représente la plaque 10 dans une configuration de référence. Aucune force n'est appliquée sur la plaque. Dans cette représentation, l'amplitude de la vibration 19 a été exagérée. Dans les faits, l'amplitude de la vibration de la plaque est de quelques pm ou quelques dizaines de pm, typiquement entre 0,1 pm et 50 pm. Suite à une vibration initiale, l'oscillateur formé par la plaque et la boucle de rétroaction s'équilibre, et la plaque entre dans un mode de vibration libre, auto-entretenu et stable. Le déclenchement de l'oscillation auto-entretenue peut être une vibration non contrôlée de la plaque, suite à un mouvement de l'interface 1. Il peut également s'agir d'une vibration induite par un bruit électronique dans les circuits électroniques formant la boucle de rétroaction. L'effet du bruit électronique est alors amplifié par l'amplificateur, ce qui conduit à une activation du transducteur d'actionnement 12 et à la mise en vibration de la plaque.
Dans la configuration de référence, la plaque atteint progressivement et spontanément un régime de fonctionnement de référence stabilisé, auto-entretenu, caractérisé par une amplitude et une fréquence de vibration. La valeur efficace du signal Vin(t) résultant du
Figure imgf000016_0003
détecteur 11 atteint alors une valeur de référence Sref qui est stockée dans l'unité de traitement 30. Ainsi, la valeur de référence Sref résulte de l'oscillation spontanée de la plaque en l'absence d'appui sur l'interface par un utilisateur. Il ne s'agit pas d'une valeur prédéterminée. Ainsi, d'une façon générale, Sref correspond à la valeur de Sproc(t) en l'absence d'appui exercé sur la plaque.
La figure 1D représente une configuration de mesure, dans laquelle un doigt 9 appuie sur la plaque 10. La force d'appui exercée par le doigt se traduit par une atténuation de l'amplitude de vibration 19 de la plaque 10. Cela entraîne une diminution de la valeur efficace du
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signal résultant du détecteur 11. Le contact avec le doigt modifie la fonction de transfert du système transducteur d'actionnement, plaque, capteur. Sous l'effet de la boucle de rétroaction, l'oscillateur se stabilise en un nouveau point de fonctionnement. Il en résulte une nouvelle valeur efficace correspondant à l'oscillateur modifié par l'appui du doigt. La comparaison
Figure imgf000017_0003
permet de quantifier l'intensité de la force d'appui exercée par le doigt sur
Figure imgf000017_0002
plaque.
Un aspect important de l'invention est que la plaque et la boucle de rétroaction forment un oscillateur auto-entretenu. Lorsque
Figure imgf000017_0004
diminue, sous l'effet de l'appui exercé sur la plaque, le circuit d'amplification 20 permet de maintenir une oscillation mesurable par le détecteur 11. L'oscillateur permet d'obtenir une valeur mesurable, y compris pour de faibles niveaux,
Figure imgf000017_0005
lorsque l'appui exercé sur la plaque est élevé. L'oscillation, entretenue par le circuit d'amplification 20, permet une mesure d'intensités de force selon une grande dynamique. Un aspect très avantageux de l'invention est que le paramètre n permet d'ajuster la réponse du dispositif, de façon à privilégier la dynamique ou la sensibilité de mesure, comme décrit par la suite, en lien avec les figures 3F et 3G
Selon une possibilité, un filtre 13 est disposé entre le capteur (ou chaque capteur) et le circuit d'amplification 20. Il peut notamment s'agir d'un filtre passe-bande, de manière à définir une bande passante de fréquences de vibration acceptables. Le recours à un tel filtre permet d'éviter l'établissement de l'auto-oscillation dans des fréquences en dehors de la bande passante du filtre. Le filtre 13, optionnel, est représenté sur les figures IC et 1D. Le signal d'entrée Vin(t) correspond alors au signal de détection Vd(t) filtré.
Selon une variante, représentée sur la figure 1E, l'unité de traitement 30 est alimentée par le signal Vout(t + dt ) résultant du circuit électronique d'amplification 20. Dans ce cas, l'unité de traitement 30 effectue une comparaison entre la valeur efficace de
Figure imgf000017_0006
dt) et une valeur de référence Sref Le comparateur 33 génère un signal de force VF, représentatif de la comparaison entre Sproc(t + dt) et Sref. De façon analogue à ce qui a été précédemment décrit, le signal de force VF, représentatif de la force exercée sur la plaque, est égal ou proportionnel a
Figure imgf000017_0007
Quel que soit le mode de réalisation, la valeur de référence Sref peut correspondre au signal de traitement Sproc(t) en l'absence de force exercée sur la plaque, alors que cette dernière oscille selon le régime d'auto-oscillation stable.
La figure 2A représente les principales étapes d'un procédé d'estimation d'une force exercée sur la plaque.
Etape 100 : mesure d'une valeur instantanée d'un signal d'entrée Vin(t) à partir du signal Vd(t) détecté par un détecteur 11 à un instant t.
Etape 110 : calcul, par le circuit d'amplification, d'une valeur Vout(t + dt ) = g(t)Vin(t)
Etape 120 : alimentation d'un transducteur d'actionnement à l'aide du signal Vout(t + dt), puis réitération des étapes 100 à 120.
Lorsque les étapes 100 à 120 sont effectuées sans force d'appui exercée sur la plaque, la valeur efficace atteint spontanément une valeur de référence Vref stable, sous l'effet de
Figure imgf000018_0001
l'oscillation auto-entretenue précédemment décrite. La valeur de référence Vref peut être stockée dans l'unité de traitement 30. Comme précédemment décrit, l'étape 110 peut supposer un calcul d'une valeur efficace du signal d'entrée Vin(t). De façon alternative, le gain
Figure imgf000018_0002
d'amplification g(t) peut utiliser une grandeur caractéristique du signal d'entrée Vin(t), différente de la valeur efficace : il peut par exemple s'agir de l'amplitude d'oscillation de Vin(t) ou de la valeur absolue de Vin(t).
Sur la figure 2B, on a représenté une mise en place, quasi instantanée, d'un régime de fonctionnement en oscillation auto-entretenue. L'axe des abscisses est le temps (unité secondes), tandis que l'axe des ordonnées correspond à l'amplitude de la vibration mesurée par un détecteur (unité Volts). A partir de l'instant t=0, sous l'effet de bruits électroniques, l'oscillateur, formé par la plaque et la boucle de rétroaction, entre dans un régime auto-oscillant, selon une amplitude Vref stable, ou pouvant être considérée comme stable. La figure 2C est un détail de la figure 2B selon une plage temporelle courte.
Etape 130 : formation du signal de traitement Sproc(t). Comme précédemment indiqué, le signal de traitement Sproc(t) est établi à partir de Vin(t). Il peut notamment être établi à partir d'une grandeur caractéristique de Vin(t) ou de la fréquence de Vin(t). Il est rappelé
Figure imgf000018_0003
que le terme « grandeur caractéristique » désigne une grandeur quantifiant l'amplitude de l'oscillation d'un signal périodique. Dans cet exemple, le signal de traitement Sproc(t) est la valeur efficace du signal d'entrée. Selon d'autres possibilités, il peut s'agir de la valeur
Figure imgf000018_0004
maximale. Alternativement, au cours de l'étape 130, le signal de traitement Sproc(t) est établi à partir d'une grandeur caractéristique du signal de sortie Vout(t + dt).
Figure imgf000019_0001
Etape 140 : Estimation d'une intensité d'une force d'appui.
L'étape 140 est mise en oeuvre par l'unité de traitement 30, qui calcule le signal de force VF en fonction de la grandeur caractéristique résultant de l'étape 130 et de Sref. Le signal de force VF est représentatif de l'intensité F de la force d'appui exercée sur la plaque. La conversion entre VF et F peut être obtenue par calibration. Le signal de force VF peut être établi à partir de la valeur efficace de Vin(t) (ou de Vout(t + dt)) ou d'autres grandeurs caractéristiques (valeur maximale par exemple). Dans cet exemple, le signal de traitement Sproc(t) est la valeur efficace du signal d'entrée. Le signal de force VF résulte d'une comparaison entre le signal de
Figure imgf000019_0002
traitement Sproc(t) et le signal de référence Sref ce dernier étant égal à la valeur de référence Vref, qui correspond à la valeur de en l'absence de force s'appuyant sur la plaque.
Figure imgf000019_0003
Etape 150 : (optionnelle) Détermination d'une valeur d'un paramètre de fonctionnement de l'appareil 50.
L'étape 150 est mise en oeuvre par l'unité de contrôle 40. En fonction de la force appliquée, un paramètre de fonctionnement de l'appareil 50, contrôlé par l'interface 1, peut être réglé. Le paramètre de fonctionnement peut être déterminé dans une plage de valeurs, à chaque valeur étant associée une intensité de la force. Le paramètre de fonctionnement peut également comporter uniquement deux valeurs possibles, par exemple 0 en l'absence de force et 1 en présence d'une force d'appui dont l'intensité est supérieure à un certain seuil.
La figure 2D illustre une simulation de mise en oeuvre du gain d'amplification g(t) précédemment décrit, sur une plaque d'aluminium de longueur 100 mm, de largeur 10 mm et d'épaisseur 1 mm, en considérant α = 1,5 et n = 3. On a simulé un appui, prenant la forme d'une gaussienne centrée sur t = 0,125 s, selon différentes intensités de force maximale F, mesurées en Newton (N) au pic de la gaussienne, et comprises entre 0 N (zéro Newton - absence de force) et 8 N. La figure 2Dsup montre l'évolution temporelle de la force appliquée sur la plaque. La figure 2Dinf montre une évolution temporelle du signal de force VF(t) (axe des ordonnées), le temps correspondant à l'axe des abscisses (unité : secondes). On observe que l'application d'une force d'intensité croissante résulte en une diminution du signal de force VF, la valeur minimale atteinte étant égale 0,5. La figure 2D illustre l'aptitude de l'invention à établir une quantification précise d'une intensité d'une force d'appui, selon une plage étendue. La figure 2E représente une variation du terme de modération (axe des
Figure imgf000020_0001
ordonnées) en fonction de (axe des abscisses - Volts), en considérant
Figure imgf000020_0003
Figure imgf000020_0002
Comme précédemment indiqué, le terme de modération forme une fonction décroissante de Il permet un ajustement du gain d'amplification g(t) au signal d'entrée du circuit
Figure imgf000020_0004
d'amplification, le gain étant d'autant plus faible que le signal d'entrée est élevé.
Dans l'exemple qui précède, la non-linéarité du gain d'amplification g(t) par rapport est
Figure imgf000020_0006
induite par le terme de modération Une autre source de non linéarité peut être
Figure imgf000020_0005
le comportement de la plaque 10, du fait de dissipations entraînant une atténuation de l'amplitude des oscillations, l'atténuation étant d'autant plus marquée que l'amplitude augmente. La figure 2F schématise l'atténuation des oscillations induite par la plaque, lorsque cette dernière présente un comportement linéaire (courbe a) et un comportement non linéaire (courbe b). Sur la figure 2F, on a représenté l'atténuation (axe des ordonnées) en fonction de l'amplitude des oscillations (axe des abscisses). L'amplification non linéaire de l'oscillateur peut ainsi être partiellement ou totalement induite par la plaque. Ainsi, pour obtenir une auto- oscillation stable, lorsque la plaque présente un comportement fortement non linéaire, c'est-à- dire lorsque l'atténuation augmente rapidement en fonction de l'amplitude des oscillations, l'amplificateur 20 pourrait mettre en oeuvre une amplification linéaire, le gain d'amplification g(t) étant constant.
Cependant, le recours à un gain d'amplification non linéaire et paramétrable est avantageux, car il permet d'ajuster la réponse du système au besoin, selon que l'on souhaite privilégier la dynamique, ou la sensibilité ou la linéarité du signal de force par rapport à l'intensité de la force appliquée.
On a effectué des mesures expérimentales en utilisant une interface comportant une plaque de verre, d'épaisseur 1 mm et de dimensions 15 cm X 20 cm. La figure 3A schématise le montage. La plaque 10 comportait onze transducteurs piézoélectriques, de type Ceramtec PZT406. Les transducteurs étaient régulièrement répartis le long d'une même bordure 102 de la plaque. Dix transducteurs fonctionnaient en tant que transducteur d'actionnement 12, tandis qu'un transducteur, situé à une extrémité de la bordure, fonctionnait en tant que détecteur 11. La plaque 10 a été disposée sur une balance 2, de façon à mesurer la force appliquée au cours du temps, selon une fréquence d'échantillonnage de 100 Hertz. Des supports 1s assuraient l'interface entre la plaque et la balance. On a appliqué une force localement, en un point prédéfini de la plaque. Le circuit d'amplification 20 mettait en œuvre un gain d'amplification g(t) tel qu'explicité dans l'expression (2). Les paramètres du gain g(t) étaient : α = 2 , GC = 0.15,
Figure imgf000021_0001
On a appliqué une force F(t) d'intensité variable au cours du temps. On a mesuré, en différents instants t, la valeur efficace de Vin(t), le gain g(t) ainsi que la
Figure imgf000021_0002
fréquence d'oscillation de Vin(t), et la force F(t).
La figure 3B représente l'évolution temporelle de la force appliquée sur la plaque au cours d'un essai. La force était appliquée de façon périodique, par période d'environ ls. Lors de différents instants, on a mesuré un signal de traitement Sproc(t) , ce dernier étant : soit la valeur efficace de Vin(t ) : cf. figure 3C ;
Figure imgf000021_0003
soit le gain d'amplification g(t) : cf. figure 3D ; soit la fréquence d'oscillation f(Vin) de Vin(t ) : cf. figure 3E.
Sur les figures 3C, 3D et 3E, l'axe des abscisses correspond à l'intensité de la force appliquée (unité N en Newton), et l'axe des ordonnées correspond à la valeur du signal de traitement Sproc(t)· Les figures 3C à 3E montrent la dépendance de chaque signal de traitement à l'égard de l'intensité de la force appliquée.
Au cours d'une série d'essais, on a comparé une estimation d'une intensité de la force comme décrit dans US10860107, à une estimation d'une intensité de la force obtenue en mettant en œuvre l'invention, en utilisant un gain d'amplification tel qu'explicité dans l'expression (2), avec en considérant successivement n = 0.5, n = 1 et n = 2. Les essais
Figure imgf000021_0004
ont été mis en œuvre comme décrit en lien avec les figures 3B à 3E. La figure 3F représente le signal de force VF (axe des ordonnées) en fonction de l'intensité de la force appliquée (axe des abscisses). La figure 3G représente, pour chaque configuration, un ajustement exponentiel du signal de force en fonction de l'intensité de la force appliquée.
Lors de la mise en œuvre du premier mode de réalisation du procédé décrit dans US10860107, le signal de force correspondait à un ratio de la valeur efficace de la tension mesurée aux bornes du détecteur, sur la valeur efficace de la tension mesurée en l'absence d'appui exercé sur la plaque. Les résultats sont représentés sur la figure 3F (courbe AA). Lors de la mise en œuvre de l'invention, le signal de force est tel que
Figure imgf000021_0005
En l'absence d'appui exercé sur la plaque, le signal de force VF est égal à 1. Lorsqu'une force F est appliquée sur la plaque, le signal de force VF diminue. La sensibilité de la mesure de la force correspond à une variation du signal de sortie (c'est-à-dire VF) par rapport à une variation du signal d'entrée (c'est-à-dire F(t)). Cela correspond à la pente locale des courbes représentées sur les figures 3F et 3G. On observe qu'en mettant en oeuvre l'invention, pour un choix judicieux d'une valeur de n, on obtient une sensibilité relativement constante selon une dynamique élevée. Par dynamique, on entend la plage de mesure. Ceci est particulièrement vérifié lorsque n = 1 ou n = 2. On observe également que pour n = 1 ou n = 2, l'évolution du signal de force VF par rapport à la force appliquée est proche d'une relation linéaire (sensibilité constante), et cela sur une grande dynamique (entre 0 N et 15 N).
Lorsque n = 0.5, la sensibilité est plus élevée, mais selon une dynamique réduite : 0 N à 10 N. En effet, au-delà de 10 N, la courbe de la figure 3G s'aplatit.
Un des avantages de l'invention est de pouvoir paramétriser le gain d'amplification, de façon à privilégier soit la dynamique (n = 1 ou n = 2 dans cet exemple), soit la sensibilité dans une plage de mesure réduite (n = 0.5). Un autre avantage est de pouvoir obtenir un signal de force variant de façon linéaire par rapport à l'intensité de la force appliquée.
Les figures 3F et 3G montrent que l'invention permet d'obtenir une sensibilité meilleure dans une plage de mesure plus étendue que selon l'art antérieur. En effet, les courbes représentatives de l'art antérieur montrent un effet d'aplatissement survenant plus tôt c'est-à-dire à partir d'intensités de force plus faibles qu'en mettant en oeuvre l'invention.
Les figures 4A et 4B illustrent un autre mode de réalisation, selon lequel un composant intermédiaire 15 s'étend entre les détecteurs 11, ainsi que les transducteurs d'actionnement 12, et la plaque 10. Dans cet exemple, le composant intermédiaire est un écran 15, permettant un affichage d'une image à travers la plaque 10, cette dernière étant transparente. Selon ce mode de réalisation, les détecteurs et transducteurs d'actionnement ne sont pas disposés au contact de la plaque 10. Ils sont mécaniquement couplés à la plaque 10 par l'intermédiaire de l'écran 15. Ce dernier est suffisamment rigide pour transmettre les vibrations entre la plaque 10 d'une part et les transducteurs d'actionnement 12 et détecteurs 11 d'autre part.
Selon une possibilité, des amplificateurs mécaniques, usuellement désignés « boosters », peuvent être interposés entre les transducteurs d'actionnement et la plaque. De tels amplificateurs sont des composants permettant d'amplifier une amplitude de vibration de la plaque. De tels amplificateurs mécaniques sont décrits dans WO2020141264. L'écran 15 peut permettre de visualiser la zone de réglage 10', et éventuellement de visualiser la valeur du paramètre de fonctionnement que l'on souhaite ajuster. La figure 4C représente un exemple de configuration de l'interface, dans lequel la zone de réglage 10' est délimitée, sur l'écran 15, par un contour 15. L'écran montre également une jauge 15a, s'étendant entre une valeur minimale min et une valeur maximale max. Plus la force exercée par le doigt sur la zone de réglage 10' est importante, plus la zone grisée, à l'intérieur de la jauge, se rapproche du niveau maximal.
L'écran 15 peut être doté d'un circuit de localisation, par exemple un circuit capacitif, permettant une localisation de l'appui du doigt sur l'écran 15, à travers la plaque 10. Sur la figure 4D, on a représenté six zones de réglages de la plaque, respectivement délimitées, sur l'écran, par des contours 15' i, 15'2, 15'3, 15'4, 15's et 15'6. Chaque zone de réglage est respectivement dédiée au réglage d'un paramètre de fonctionnement P1, P2, P3, P4, P5 et P6. Lorsqu'un doigt contacte une zone de réglage, la localisation du point d'appui permet d'identifier le paramètre de fonctionnement que l'utilisateur souhaite régler. Dans l'exemple représenté sur la figure 4D, on a représenté un réglage du paramètre de fonctionnement P4, entre une valeur P4min et une valeur P4max- L'écran permet d'afficher une jauge 15', de façon à visualiser le réglage du paramètre de fonctionnement que l'on souhaite ajuster. Selon ce mode de réalisation, l'unité de commande 40 établit un signal de commande en fonction d'un niveau de force résultant de l'unité de traitement 30, et en fonction d'une position du point d'appui résultant du circuit de localisation.
Selon un mode de réalisation, représenté sur la figure 5A la plaque peut être mise en vibration par des transducteurs auxiliaires 14, de façon à induire une vibration ultrasonique de la plaque. Contrairement aux transducteurs d'actionnement 12, les transducteurs auxiliaires sont alimentés par un signal d'actionnement de consigne, définissant une amplitude et une fréquence de vibration. La vibration ultrasonique peut induire un effet haptique sur le doigt touchant l'interface, c'est-à-dire une sensation de texture ou une sensation de clic en particulier en fonction de l'intensité de la force d'appui F détectée. Ainsi, par retour haptique, on entend une mise en vibration de la plaque, selon une séquence temporelle de vibration prédéterminée, et selon une fréquence ultrasonique, la séquence temporelle étant configurée pour entraîner une sensation de texturation de la plaque par le corps externe touchant la plaque. De façon connue de l'homme du métier, la vibration entraîne une modification de la friction entre le corps externe et la plaque, ce qui induit une perception de texturation. Le retour haptique peut consister à mettre la plaque en vibration, selon une amplitude de consigne prédéterminée, durant une durée brève, par exemple quelques dizaines ou centaines de ms. A la différence du fonctionnement selon un mode d'oscillateur, tel que précédemment décrit, lorsqu'on souhaite obtenir un effet haptique, la plaque est mise en vibration selon une amplitude de vibration prédéterminée. Selon ce mode de réalisation, lorsque la force d'appui atteint une valeur seuil, la plaque peut être mise en vibration de façon à induire un effet haptique ressenti par le doigt. L'effet haptique forme un retour haptique de l'interface. Aussi, en référence à la figure 2A suite à l'étape 140, une étape 160 peut être mise en oeuvre, visant à produire le retour haptique.
Alternativement dans un autre mode de réalisation, représenté sur la figure 5B, un transducteur d'actionnement 12 ou chaque transducteur d'actionnement est relié à un commutateur 16. Chaque commutateur 16 est configuré pour relier le transducteur d'actionnement : - soit au circuit d'amplification 20 : la plaque vibre alors selon un régime d'oscillation spontané, auto-entretenu : le dispositif permet alors une estimation d'une force d'appui - soit à une alimentation auxiliaire 18, imposant un signal de consigne selon une fréquence de consigne et une amplitude de vibration de consigne: le dispositif fonctionne alors selon une interface haptique ultrasonique classique. Le transducteur d'actionnement 12 se comporte alors comme un transducteur auxiliaire 14.
Le commutateur 16 peut permettre une commutation entre les deux modes : - soit le mode d'oscillation auto-entretenu, lorsque le transducteur d'actionnement est relié au circuit d'amplification 20, de façon à mesurer une force d'appui ; - soit un mode de vibration forcé, selon une fréquence et une amplitude de consigne, de façon à induire un retour haptique. Le transducteur d'actionnement forme alors un transducteur auxiliaire.
L'invention pourra être appliquée pour former une interface de commande de dispositifs, par exemple des dispositifs grands publics, par exemple dans le domaine de l'électroménager ou le tableau de bord de véhicules. Elle peut également être appliquée dans des interfaces de d'équipements professionnels.

Claims

REVENDICATIONS
1. Interface utilisateur (1) comportant :
- une plaque (10), définissant une surface de contact (10e) destinée à être touchée par un corps externe (9) de type doigt ou stylet;
- au moins un transducteur d'actionnement (12), configuré pour mettre en vibration la plaque (10), en fonction d'un signal d'activation (Vout);
- au moins un détecteur (11) configuré pour détecter une amplitude d'une vibration de la plaque et pour générer un signal de détection ( Vd ), le signal de détection oscillant selon une amplitude d'oscillation dépendant de l'amplitude de vibration détectée ;
- un circuit d'amplification (20), s'étendant entre une entrée (21) et une sortie (22), l'entrée étant reliée au détecteur et la sortie étant reliée au transducteur d'actionnement; l'interface étant caractérisée en ce que :
- le circuit d'amplification (20) est configuré pour être alimenté par un signal d'entrée (Vin(t)), le signal d'entrée étant un signal oscillant établi à partir du signal de détection ;
- le circuit d'amplification comporte un amplificateur (23), configuré pour amplifier le signal d'entrée (Vin(t)),en lui appliquant un gain d'amplification (g(t)), de façon à adresser un signal de sortie (Vout(t)) au transducteur d'actionnement, le signal de sortie correspondant au signal d'entrée amplifié, le signal de sortie formant le signal d'activation du transducteur d'actionnement (12);
- le gain d'amplification (g(t)) dépend, de façon non linéaire, du signal d'entrée ;
- le ou chaque détecteur (11), le ou chaque transducteur d'actionnement (12), et le circuit d'amplification (20) forment une boucle de rétroaction ;
- la plaque et la boucle de rétroaction forment un oscillateur auto-entretenu ; et en ce que l'interface comporte une unité de traitement (30), alimentée par un signal de traitement (Sproc(t)), le signal de traitement dépendant du signal d'entrée ( Vin(t)), ou du signal de détection ( Vd ), l'unité de traitement étant configurée pour :
• comparer le signal de traitement (Sproc(t)) avec un signal de référence (Sref);
• générer un signal de force (VF), à partir de la comparaison, le signal de force étant représentatif d'une intensité d'une force d'appui (F) exercée sur la plaque par le corps externe touchant la surface de contact de la plaque.
2. Interface selon la revendication 1, dans laquelle le signal de référence correspond au signal de traitement (Sproc(t)) en l'absence de force exercée sur la plaque par le corps externe.
3. Interface selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le signal de traitement (Sproc(t)) est établi à partir : · d'une grandeur caractéristique du signal d'entrée la grandeur caractéristique
Figure imgf000026_0002
quantifiant l'amplitude d'oscillation du signal d'entrée (Vin(t)) ;
• et/ou d'une fréquence d'oscillation (f(Vin)) du signal d'entrée (Vin(t)).
4. Interface selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le gain d'amplification dépend d'une grandeur caractéristique du signal d'entrée
Figure imgf000026_0003
la grandeur caractéristique quantifiant l'amplitude d'oscillation du signal d'entrée [Vin(t)).
5. Interface selon la revendication 4, dans laquelle le gain d'amplification ( g(t)) est décroissant en fonction de la grandeur caractéristique du signal d'entrée
Figure imgf000026_0004
6. Interface selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, dans laquelle le gain d'amplification (g(t)) comporte un gain maximal ( G
Figure imgf000026_0005
α ) pondéré par un terme de modération de telle sorte que le gain d'amplification est d'autant plus faible que la
Figure imgf000026_0001
grandeur caractéristique du signal d'entrée est élevée.
Figure imgf000026_0006
7. Interface selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, dans laquelle le gain d'amplification ( g(t)) est maximal lorsque la grandeur caractéristique
Figure imgf000026_0007
du signal d'entrée atteint une valeur minimale prédéterminée.
8. Interface selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, dans laquelle le gain d'amplification ( g(t)) est minimal lorsque la grandeur caractéristique
Figure imgf000026_0008
du signal d'entrée atteint une valeur supérieure ou égale à une valeur seuil
Figure imgf000026_0009
9. Interface selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle un écran (15) est accolé sur la plaque (10), tout ou partie de la plaque étant transparente.
10. Interface selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la plaque présente une fréquence de vibration résonante comprise entre 20 kHz et 200 kHz.
11. Interface selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle :
- au moins un transducteur d'actionnement (12) est un transducteur piézoélectrique ;
- et/ou au moins un détecteur (11) est un transducteur piézoélectrique.
12. Interface selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant une unité de contrôle (40), l'unité de contrôle étant configurée pour adresser un signal de contrôle à un appareil (50), relié à l'interface, en fonction du signal de force (VF).
13. Interface selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant un circuit de localisation, configuré pour déterminer une position d'un point de contact entre le corps externe et la plaque.
14. Interface selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant un filtre (13), disposé entre le détecteur (11) et le circuit d'amplification (20), le filtre étant configuré pour définir une bande passante fréquentielle du signal d'entrée adressé au circuit d'amplification (20).
15. Interface selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle :
- la plaque est reliée à au moins un transducteur auxiliaire (14) distinct d'un transducteur d'actionnement (12), le transducteur auxiliaire étant relié à une alimentation auxiliaire (18), le transducteur auxiliaire étant configuré pour mettre la plaque (10) en vibration, selon une amplitude de vibration de consigne, prédéterminée, et selon une fréquence de vibration ultrasonique de façon à produire un effet de retour haptique;
- l'interface est configurée pour activer le transducteur auxiliaire, ou chaque transducteur auxiliaire, lorsque le signal de force (VF), franchit un seuil prédéterminé.
16. Interface selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, dans laquelle un transducteur d'actionnement (12) est relié à un commutateur (16), le commutateur étant configuré pour:
- relier le transducteur d'actionnement (12) au circuit d'amplification (20), de façon à mesurer la force exercée sur la plaque ;
- ou relier le transducteur d'actionnement (12) à une alimentation auxiliaire (18), de telle sorte que l'alimentation auxiliaire applique un signal de consigne au transducteur d'actionnement, le transducteur d'actionnement étant alors configuré pour mettre la plaque en vibration, selon une amplitude de vibration de consigne, prédéterminée, et selon une fréquence de vibration ultrasonique, de façon à produire un effet de retour haptique.
17. Procédé d'estimation d'une force exercée sur une plaque d'une interface selon l'une quelconque des revendications précédentes, le procédé comportant : a) application d'un corps externe (9) sur la plaque, en exerçant une force d'appui sur la plaque, le corps externe étant de type doigt ou stylet ; b) à l'aide de l'unité de traitement (30), estimation d'une intensité de la force d'appui appliquée par le corps externe sur la plaque.
18. Procédé de commande d'un appareil (50), à l'aide d'une interface (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, l'appareil étant paramétré par au moins un paramètre de fonctionnement (P4), le procédé comportant :
- application d'un corps externe (9) sur la plaque, en exerçant une force d'appui sur la plaque ; - détermination d'une intensité de la force (F) par l'unité de traitement (30) de l'interface ;
- en fonction de l'intensité de la force, génération d'un signal de commande, par l'interface, de façon à ajuster une valeur du paramètre de fonctionnement de l'appareil.
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