WO2022269171A1 - Tactile stimulation interface with resonant actuators - Google Patents

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WO2022269171A1
WO2022269171A1 PCT/FR2022/051167 FR2022051167W WO2022269171A1 WO 2022269171 A1 WO2022269171 A1 WO 2022269171A1 FR 2022051167 W FR2022051167 W FR 2022051167W WO 2022269171 A1 WO2022269171 A1 WO 2022269171A1
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WO
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actuator
acoustic
interface
face
acoustic waves
Prior art date
Application number
PCT/FR2022/051167
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French (fr)
Inventor
Thomas DAUNIZEAU
Sinan HALIYO
Vincent Hayward
Original Assignee
Sorbonne Universite
Centre National De La Recherche Scientifique
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    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/016Input arrangements with force or tactile feedback as computer generated output to the user

Abstract

The present invention relates to a tactile stimulation interface (10), comprising a tactile face and a second face (8) equipped with at least one actuator (1a, 1b, 1c, 1d), the interface (10) being characterized in that the second face (8) comprises at least one acoustic wave confinement area (11), the confinement area (11) being defined by at least one acoustic mirror (9) made of an acoustic metamaterial configured to reflect acoustic waves of frequencies within a predetermined interval, called the band gap, the interface (10) furthermore being characterized in that each acoustic mirror (9) and each actuator (1a, 1b, 1c, 1d) comprises a system configured to generate and transmit acoustic waves to the tactile face (7) and to prevent the propagation of acoustic waves of frequencies within the band gap.

Description

Description Description
INTERFACE DE STIMULATION TACTILE A ACTIONNEURSTACTILE STIMULATION INTERFACE WITH ACTUATORS
RESONANTS RESONANTS
[0001 ]!l_a présente invention a pour objet une interface de stimulation tactile. L'invention permet en particulier de localiser spatialement des stimuli tactiles. [0001]! The present invention relates to a tactile stimulation interface. The invention makes it possible in particular to spatially locate tactile stimuli.
[0002] Une interface de stimulation tactile est destinée à restituer une information tactile, telle qu’une texture, un relief, une rugosité variable dans le temps et/ou l’espace, une illusion d’appuyer sur un matériau souple, de presser une touche. [0002] A tactile stimulation interface is intended to restore tactile information, such as a texture, a relief, a variable roughness in time and/or space, an illusion of pressing on a flexible material, of pressing a key.
[0003] L'exploration tactile des surfaces est omniprésente dans les interactions quotidiennes avec les nouvelles technologies du numérique et de l’informatique, qu'il s'agisse de glisser le doigt sur un smartphone ou d'interagir avec un pavé tactile. Cependant, les dispositifs existants manquent souvent d'un retour haptique convaincant. La plupart de ces dispositifs haptiques stimulent le sens du toucher par le biais de vibrations. Le problème est qu’il est très difficile d’empêcher ces vibrations de se propager dans l’intégralité du dispositif et par conséquent de rendre une information tactile « floue » à l’utilisateur. Pour créer des retours haptiques à haute-fidélité, notamment sur les zones corporelles dotées d’une grande acuité (la main par exemple), il est alors nécessaire de pouvoir localiser les stimuli tactiles. Il s’agit d’un objectif majeur de la recherche haptique. [0003] The tactile exploration of surfaces is omnipresent in daily interactions with new digital and computer technologies, whether it involves sliding a finger on a smartphone or interacting with a touchpad. However, existing devices often lack convincing haptic feedback. Most of these haptic devices stimulate the sense of touch through vibrations. The problem is that it is very difficult to prevent these vibrations from spreading throughout the device and therefore making tactile information “blurry” for the user. To create high-fidelity haptic feedback, especially on body areas with high acuity (the hand for example), it is then necessary to be able to localize tactile stimuli. This is a major goal of haptic research.
[0004] Des solutions existent pour la localisation de signaux haptiques, mais elles présentent de nombreux inconvénients. Par exemple, certaines dépendent grandement de la forme des actionneurs et des conditions aux limites de fixation du dispositif. D’autres sont basées sur une approche logicielle, comme par exemple le retournement temporel et le filtre inverse. Ceci nécessite une importante puissance de calcul, incompatible avec les contraintes d’asservissement en temps réel des systèmes haptiques. [0004] Solutions exist for locating haptic signals, but they have many drawbacks. For example, some depend greatly on the shape of the actuators and the boundary conditions for fixing the device. Others are based on a software approach, such as time reversal and inverse filter. This requires significant computing power, incompatible with the constraints of real-time servoing of haptic systems.
[0005] On pourrait envisager d’utiliser des métamatériaux acoustiques issus d’une distribution périodique de résonateur locaux qui se comportent tels des miroirs acoustiques, ces derniers étant agencés spatialement pour créer des guides d’ondes. Cette solution a toutefois pour inconvénient la présence de zones mortes entre les guides d’ondes. Il s’ensuit une réduction de la densité des signaux acoustiques pouvant être contrôlés. Ces structures passives sont de surcroît obtenues par des discontinuités de la matière ou de la géométrie. Il est donc impossible de les reconfigurer spatialement une fois qu’elles sont fabriquées. Les guides d’ondes sont ainsi immuables, ce qui limite grandement leur usage. One could consider using acoustic metamaterials from a periodic distribution of local resonators which behave like acoustic mirrors, the latter being spatially arranged to create waveguides. However, this solution has the disadvantage of the presence of zones dead between the waveguides. This results in a reduction in the density of acoustic signals that can be monitored. These passive structures are moreover obtained by discontinuities in matter or geometry. It is therefore impossible to spatially reconfigure them once they are made. The waveguides are thus immutable, which greatly limits their use.
[0006] La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. The present invention aims to remedy these drawbacks.
[0007] L’invention a pour objet une interface de stimulation tactile, comprenant une première face, destinée à être explorée tactilement, et appelée face tactile, et une deuxième face munie d’au moins un actionneur, ledit au moins un actionneur étant configuré pour être excité de manière générer et à transmettre des ondes acoustiques à la face tactile. [0007] The subject of the invention is a tactile stimulation interface, comprising a first face, intended to be explored by touch, and called the tactile face, and a second face provided with at least one actuator, said at least one actuator being configured to be energized to generate and transmit acoustic waves to the touch face.
[0008] Dans l’interface selon l’invention, la deuxième face comprend au moins une zone de confinement des ondes acoustiques générées par ledit au moins un actionneur, ladite au moins une zone de confinement étant délimitée au moins en partie par au moins un miroir acoustique réalisé par un métamatériau acoustique configuré pour réfléchir les ondes acoustiques de fréquences comprises dans un intervalle prédéterminé, appelé bande interdite, ladite bande interdite incluant la fréquence porteuse des ondes acoustiques générées par ledit au moins un actionneur. In the interface according to the invention, the second face comprises at least one confinement zone for the acoustic waves generated by said at least one actuator, said at least one confinement zone being delimited at least in part by at least one acoustic mirror produced by an acoustic metamaterial configured to reflect acoustic waves of frequencies included in a predetermined interval, called forbidden band, said forbidden band including the carrier frequency of the acoustic waves generated by said at least one actuator.
[0009] La fréquence porteuse est la fréquence d’une onde sinusoïdale qui est ensuite modulée par un signal qui contient l’information haptique. [0009] The carrier frequency is the frequency of a sine wave which is then modulated by a signal which contains the haptic information.
[0010] L’interface est en outre caractérisée en ce que ledit au moins un miroir acoustique et ledit au moins un actionneur comprennent chacun un système configuré pour, dans une première configuration, générer et transmettre des ondes acoustiques à la face tactile et pour, dans une deuxième configuration, empêcher la propagation d’ondes acoustiques de fréquences comprises dans la bande interdite. [0010] The interface is further characterized in that said at least one acoustic mirror and said at least one actuator each comprise a system configured to, in a first configuration, generate and transmit acoustic waves to the touch face and to, in a second configuration, preventing the propagation of acoustic waves of frequencies included in the forbidden band.
[0011] Ledit au moins un actionneur et ledit au moins un miroir acoustique peuvent comprendre un actionneur résonant. La résonance de l’actionneur résonant peut s’effectuer dans un mouvement de translation ou de rotation. En particulier, l’actionneur résonant peut osciller dans un mouvement de translation ou de rotation. Said at least one actuator and said at least one acoustic mirror may comprise a resonant actuator. The resonance of the resonant actuator can take place in a translational or rotational movement. In particular, the resonant actuator can oscillate in a translational or rotational movement.
[0012] Chaque actionneur résonant peut comprendre une masse, un ressort, un aimant et une bobine. [0012] Each resonant actuator may comprise a mass, a spring, a magnet and a coil.
[0013] L’actionneur résonant peut être configuré pour générer et transmettre des ondes acoustiques à la face tactile lorsqu’un courant traverse la bobine et l’actionneur résonant peut être configuré pour empêcher la propagation d’ondes acoustiques de fréquences comprises dans une bande interdite lorsqu’aucun courant ne traverse la bobine. [0013] The resonant actuator can be configured to generate and transmit acoustic waves to the tactile face when a current passes through the coil and the resonant actuator can be configured to prevent the propagation of acoustic waves of frequencies included in a band prohibited when no current flows through the coil.
[0014] La bande interdite du métamatériau acoustique peut être comprise dans un intervalle de fréquences inférieures à 500 Hz. [0014] The forbidden band of the acoustic metamaterial can be included in a frequency range below 500 Hz.
[0015] La première face et la deuxième face peuvent appartenir à un support, tel qu’une plaque. Le support peut être réalisé dans n’importe quel matériau rigide (métal, verre, plastique, composites). Il peut également être réalisé en une plaque fonctionnelle tel qu’un écran capacitif qui pourra avantageusement mesurer la position spatiale d’un ou de plusieurs doigts en contact. [0015] The first face and the second face can belong to a support, such as a plate. The support can be made of any rigid material (metal, glass, plastic, composites). It can also be made of a functional plate such as a capacitive screen which can advantageously measure the spatial position of one or more fingers in contact.
[0016] Ladite au moins une zone de confinement des ondes acoustiques peut être une surface aux bords orthogonaux ou une surface circulaire. Said at least one acoustic wave confinement zone can be a surface with orthogonal edges or a circular surface.
[0017] D’autres avantages et particularités de la présente invention résulteront de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux figures annexées : Other advantages and features of the present invention will result from the following description, given by way of non-limiting example and made with reference to the appended figures:
[0018] [Fig. 1] est une vue en coupe d’un actionneur linéaire résonant utilisé dans une interface de stimulation tactile selon l’invention, [0018] [Fig. 1] is a sectional view of a resonant linear actuator used in a tactile stimulation interface according to the invention,
[0019] [Fig. 2] est une vue en perspective d’une interface de stimulation tactile selon l’invention, et [0019] [Fig. 2] is a perspective view of a tactile stimulation interface according to the invention, and
[0020] [Fig. 3] est une vue en perspective de l’interface de stimulation tactile de la figure 2 lorsqu’elle est mise en œuvre par un utilisateur. [0020] [Fig. 3] is a perspective view of the tactile stimulation interface of Figure 2 when implemented by a user.
[0021] DESCRIPTION DETAILLEE [0021] DETAILED DESCRIPTION
[0022] Une interface de stimulation tactile selon l’invention met en œuvre un métamatériau actif donc l'élément unitaire est un actionneur électromagnétique résonant 1 (figure 1). Cet actionneur résonant est composé au minimum d'une masse 2, d'un ressort 3, d'un aimant 4, et d'une bobine 5, assemblés pour effectuer un mouvement de translation ou de rotation. Ces composants lui confèrent deux états commutables électroniquement, dont un état "actionneur" lorsqu'un courant est imposé dans la bobine, et un état "résonateur" si la bobine est en circuit ouvert. Dans le mode « résonateur » et, pour une plage de fréquences donnée qualifiée de bande interdite (band gap en langue anglaise), les ondes acoustiques ne peuvent pas se propager. [0022] A tactile stimulation interface according to the invention implements an active metamaterial, therefore the unitary element is an electromagnetic actuator resonant 1 (figure 1). This resonant actuator is composed of at least a mass 2, a spring 3, a magnet 4, and a coil 5, assembled to perform a translational or rotational movement. These components give it two electronically switchable states, including an "actuator" state when a current is imposed in the coil, and a "resonator" state if the coil is open circuit. In the “resonator” mode and, for a given range of frequencies qualified as forbidden band (band gap in English), the acoustic waves cannot propagate.
[0023] Grâce à sa conception, la fréquence d'actionnement d'un élément 1 dans l'état "actionneur" est intrinsèquement identique à la fréquence de résonance d'un élément dans l'état "résonateur". Cette particularité permet aux éléments 1 dans l'état "résonateur" d'être de facto des miroirs acoustiques optimisés pour réfléchir les vibrations produites par les éléments 1 dans l'état "actionneur". C'est la commutation entre ces deux états qui reconfigure les miroirs acoustiques et ainsi réactualise les zones de confinement des ondes acoustiques, appelées guides d’ondes, en fonction de l'usage. La nature modulaire de ce nouveau métamatériau ouvre la porte à de nombreuses applications. C’est notamment le cas pour le domaine haptique où la création de stimuli vibrotactiles localisés, autrement dit des pixels tactiles dit "taxels", est un enjeu majeur. Thanks to its design, the actuation frequency of an element 1 in the "actuator" state is intrinsically identical to the resonance frequency of an element in the "resonator" state. This feature allows the elements 1 in the "resonator" state to be de facto acoustic mirrors optimized to reflect the vibrations produced by the elements 1 in the "actuator" state. It is the switching between these two states that reconfigures the acoustic mirrors and thus updates the acoustic wave confinement zones, called waveguides, depending on the use. The modular nature of this new metamaterial opens the door to many applications. This is particularly the case for the haptic domain where the creation of localized vibrotactile stimuli, in other words tactile pixels called "taxels", is a major challenge.
[0024] L’invention a deux objectifs principaux. Le premier est de supprimer les zones mortes entre les guides d'ondes et le second est de reconfigurer spatialement ces derniers. Pour cela, l'idée générale est de construire un métamatériau via un élément unitaire 1 pouvant être commuté entre les états "actionneur" et "résonateur". The invention has two main objectives. The first is to remove the dead zones between the waveguides and the second is to spatially reconfigure the latter. For this, the general idea is to build a metamaterial via a unitary element 1 that can be switched between the “actuator” and “resonator” states.
[0025] Sur les figures 2 et 3, on peut voir représenté schématiquement un exemple d’interface tactile 10 selon l’invention comportant un support 6, tel qu’une plaque, comprenant une première face 7 et une deuxième face 8 opposée à la première face 7. In Figures 2 and 3, there can be seen schematically represented an example of touch interface 10 according to the invention comprising a support 6, such as a plate, comprising a first face 7 and a second face 8 opposite the first side 7.
[0026] La première face 7 est destinée à être explorée tactilement, par exemple par les doigts d’un utilisateur. La première face 7 est désignée surface tactile. The first face 7 is intended to be explored by touch, for example by the fingers of a user. The first face 7 is designated touch surface.
[0027] Dans l’exemple représenté, la face tactile 7 est plane, ainsi que le support 6, mais la présente invention s’applique également à des surfaces tactiles courbes et à des supports courbes. Le support peut être tout élément offrant une grande longueur par rapport à son épaisseur et pouvant être plan au moins en partie et/ou présentant une ou plusieurs courbures. In the example shown, the touch face 7 is flat, as well as the support 6, but the present invention also applies to curved touch surfaces. and curved supports. The support can be any element offering a great length compared to its thickness and which can be flat at least in part and/or having one or more curvatures.
[0028] La face tactile 7 peut être destinée à être touchée par la pulpe d’un doigt ou de plusieurs doigts 12a, 12b. On peut également envisager que la surface tactile 7 soit apte à appliquer une stimulation à toute partie du corps de l’utilisateur sensible au toucher. The touch face 7 can be intended to be touched by the pulp of a finger or several fingers 12a, 12b. It is also possible to envisage that the tactile surface 7 is able to apply stimulation to any part of the user's body sensitive to touch.
[0029] La deuxième face 8 est munie d’un ou plusieurs actionneurs résonants linéaires 1a, 1 b, 1c, 1d agencés sur les figures 2 et 3 sur une ligne afin de former un métamatériau acoustique en une dimension. On peut également envisager de disposer les actionneurs résonants linéaires 1a, 1 b, 1c, 1d sur une surface à deux dimensions. L'élément unitaire de l’interface tactile 10 est ainsi un actionneur électromagnétique résonant suivant un mouvement de translation. Ce type d'actionneur est fréquemment appelé Linear Résonant Actuator (LRA) en langue anglaise et est communément implémenté dans les smartphones. Sa fréquence de résonance est typiquement comprise entre 100 et 300Hz, 170Hz dans le cas décrit, ce qui en fait un candidat idéal pour les applications haptiques avec retour vibrotactile. Ses faibles dimensions (10mm x 10mm x 4mm) sont idéales pour créer un métamatériau avec un réseau dense. Des expériences préliminaires ont mis en évidence la capacité qu'a un groupe de plusieurs éléments à l'état "résonateur" à bloquer la propagation d'ondes acoustiques générées par un élément à l'état "actionneur". The second face 8 is provided with one or more linear resonant actuators 1a, 1b, 1c, 1d arranged in FIGS. 2 and 3 on a line in order to form a one-dimensional acoustic metamaterial. It is also possible to envisage arranging the linear resonant actuators 1a, 1b, 1c, 1d on a two-dimensional surface. The unitary element of the touch interface 10 is thus a resonant electromagnetic actuator following a translation movement. This type of actuator is frequently called Linear Resonant Actuator (LRA) in English and is commonly implemented in smartphones. Its resonant frequency is typically between 100 and 300Hz, 170Hz in the case described, which makes it an ideal candidate for haptic applications with vibrotactile feedback. Its small dimensions (10mm x 10mm x 4mm) are ideal for creating a metamaterial with a dense network. Preliminary experiments have demonstrated the ability of a group of several elements in the "resonator" state to block the propagation of acoustic waves generated by an element in the "actuator" state.
[0030] Ainsi, si par exemple l’actionneur résonant linéaire 1a est à l’état “actionneur”, il transmet des vibrations (ondes acoustiques) de fréquence 170 Hz à la plaque 6. Si les actionneurs résonants linéaires 1b, 1c et 1d sont à l’état “résonateur”, leur bande interdite est centrée sur la fréquence de 170 Hz et ils forment un miroir acoustique 9 qui réfléchit les ondes acoustiques. Ainsi, le doigt 12a de l’utilisateur situé à la gauche de l’interface 10 perçoit des vibrations, tandis que le doigt 12b de l’utilisateur situé à la droite de l’interface 10 ne percevra pas de vibrations. Thus, if for example the linear resonant actuator 1a is in the “actuator” state, it transmits vibrations (acoustic waves) of frequency 170 Hz to the plate 6. If the linear resonant actuators 1b, 1c and 1d are in the “resonator” state, their forbidden band is centered on the frequency of 170 Hz and they form an acoustic mirror 9 which reflects the acoustic waves. Thus, the finger 12a of the user located to the left of the interface 10 perceives vibrations, while the finger 12b of the user located to the right of the interface 10 will not perceive any vibrations.
[0031] Dans un deuxième exemple, si l’actionneur résonant linéaire 1a émet des vibrations à une fréquence hors de la bande interdite, par exemple 270 Hz, alors les actionneurs résonants linéaires 1b, 1c et 1d ne forment plus un miroir acoustique et les vibrations émises par l’actionneur résonant linéaire 1a se propageront jusqu’au doigt gauche 12a, mais également jusqu’au doigt droit 12b de l’utilisateur. [0032] L’invention a pour objectif de localiser spatialement des stimuli haptiques. In a second example, if the linear resonant actuator 1a emits vibrations at a frequency outside the forbidden band, for example 270 Hz, then the linear resonant actuators 1b, 1c and 1d no longer form an acoustic mirror and the vibrations emitted by the linear resonant actuator 1a will propagate to the left finger 12a, but also to the right finger 12b of the user. The object of the invention is to spatially locate haptic stimuli.
Pour obtenir une zone de vibration localisée, l’interface selon l’invention met en œuvre un miroir acoustique 9. En termes mécaniques, un miroir acoustique équivaut à une condition aux limites encastrée. Ce type de condition est difficile à réaliser en pratique. Par exemple, un collage polymérique ne suffirait pas à empêcher la propagation d’énergie vibratoire à cause de sa trop grande souplesse. To obtain a localized vibration zone, the interface according to the invention implements an acoustic mirror 9. In mechanical terms, an acoustic mirror is equivalent to an embedded boundary condition. This type of condition is difficult to achieve in practice. For example, a polymeric bond would not be sufficient to prevent the propagation of vibrational energy because of its excessive flexibility.
[0033] L’invention utilise des métamatériaux qui ont pour particularité d’empêcher la propagation des vibrations sur une certaine plage de fréquence. Les métamatériaux se comportent alors comme des miroirs acoustiques, ce qui permet de délimiter des zones de rendu tactile. The invention uses metamaterials which have the particularity of preventing the propagation of vibrations over a certain frequency range. The metamaterials then behave like acoustic mirrors, which makes it possible to delimit areas of tactile rendering.
[0034] Les métamatériaux acoustiques sont des structures artificielles dont les propriétés acoustiques à l’échelle macroscopique n’existent pas dans la nature, ces métamatériaux présentent par exemple un indice de réfraction négatif ou une densité négative. Ils peuvent être conçus pour posséder une bande interdite, c’est-à-dire une plage fréquentielle dans laquelle les ondes acoustiques ne se propagent pas. Acoustic metamaterials are artificial structures whose acoustic properties on a macroscopic scale do not exist in nature, these metamaterials have for example a negative refractive index or a negative density. They can be designed to have a band gap, i.e. a frequency range in which the acoustic waves do not propagate.
[0035] Ainsi, le miroir acoustique 9 constitué de métamatériaux est agencé spatialement pour créer une zone de confinement des ondes acoustiques 11 , qui est appelée guide d’ondes. Le guide d’ondes 11 peut être par exemple de forme rectangulaire. Sur la figure 3, le guide d’ondes 11 est la zone de la plaque 6 située entre l’actionneur 1a en mode "actionneur" et le doigt gauche 12a. Les métamatériaux sont dans ce cas automatiquement optimisés pour que la bande interdite inclue la fréquence porteuse du signal haptique. Cette fréquence porteuse peut être à basses fréquences dans le domaine vibrotactile (des fréquences inférieures à 500Hz). Thus, the acoustic mirror 9 consisting of metamaterials is spatially arranged to create an acoustic wave confinement zone 11, which is called a waveguide. The waveguide 11 can for example be of rectangular shape. In Figure 3, the waveguide 11 is the area of the plate 6 located between the actuator 1a in "actuator" mode and the left finger 12a. The metamaterials are in this case automatically optimized so that the forbidden band includes the carrier frequency of the haptic signal. This carrier frequency can be at low frequencies in the vibrotactile domain (frequencies below 500 Hz).
[0036] Le support 6 de l’interface tactile peut être plan. On peut également utiliser un support courbé sans que cela affecte son fonctionnement. Il est également possible de réaliser un métamatériau acoustique dans un volume avec une périodicité spatiale tridimensionnelle. [0036] The support 6 of the touch interface can be flat. You can also use a curved support without affecting its operation. he is also possible to realize an acoustic metamaterial in a volume with a three-dimensional spatial periodicity.
[0037] La plupart des métamatériaux acoustiques sont constitués de peu de composants. Parfois monoblocs, ils sont néanmoins le plus souvent obtenus en combinant deux matériaux aux propriétés (module d’Young et densité) radicalement différentes (silicone et tungstène par exemple). En tout cas, ils nécessitent peu d'opérations d'assemblage ce qui facilite leur fabrication. Le nouveau métamatériau ici proposé est actif grâce à l'ajout d'une bobine et d'un aimant. L'intégration de ces nouveaux composants peut s'avérer longue et coûteuse, d'autant plus que la matrice formée des éléments unitaires est grande. Cette difficulté peut être surmontée en utilisant des actionneurs résonants déjà existants dans le commerce. C'est notamment le cas des actionneurs résonants linéaires (Linear Résonant Actuators en langue anglaise) qui sont couramment implémentés dans les smartphones pour apporter un retour haptique. Leur production en masse permet une réduction du coût et du nombre d'opérations d'assemblage nécessaires. [0037] Most acoustic metamaterials consist of few components. Sometimes in one piece, they are nevertheless most often obtained by combining two materials with radically different properties (Young's modulus and density) (silicone and tungsten for example). In any case, they require few assembly operations which facilitates their manufacture. The new metamaterial proposed here is active thanks to the addition of a coil and a magnet. The integration of these new components can prove to be long and costly, all the more so as the matrix formed from the unitary elements is large. This difficulty can be overcome by using resonant actuators that already exist on the market. This is particularly the case of linear resonant actuators (Linear Resonant Actuators in English) which are commonly implemented in smartphones to provide haptic feedback. Their mass production allows a reduction of the cost and the number of necessary assembly operations.
[0038] Pour certaines applications, il est nécessaire d'avoir un métamatériau peu encombrant. Cela est d'autant plus critique que la fréquence de stimulation est basse car les dimensions du résonateur augmentent alors inexorablement (diminution de la raideur et augmentation de la masse oscillante). Une première piste est l'utilisation des actionneurs résonants linéaires qui sont développés pour être le plus compact possible compte tenu de leur usage dans les smartphones. [0038] For certain applications, it is necessary to have a compact metamaterial. This is all the more critical when the stimulation frequency is low because the dimensions of the resonator then increase inexorably (reduction in stiffness and increase in oscillating mass). A first track is the use of linear resonant actuators which have been developed to be as compact as possible given their use in smartphones.
[0039] Une autre problématique également liée au grand nombre d'actionneurs est la consommation énergétique. Cela peut être critique dans des applications portables. Une solution est d'augmenter le facteur de qualité du résonateur au sein de l'élément unitaire. Ainsi, moins d'énergie électrique est nécessaire à amplitude de vibration égale. Another problem also linked to the large number of actuators is energy consumption. This can be critical in portable applications. One solution is to increase the quality factor of the resonator within the unitary element. Thus, less electrical energy is required for the same vibration amplitude.
[0040] Pour faire de larges zones vibrantes, plusieurs éléments unitaires adjacents doivent être dans l’état "actionneur". To make large vibrating zones, several adjacent individual elements must be in the "actuator" state.
[0041] On peut envisager différentes applications de l’interface de stimulation tactile selon l’invention. [0042] Certains ordinateurs portables possèdent un pavé tactile très allongé, faisant office de barre tactile. Celles-ci sont néanmoins dépourvues de retour haptique. Des actionneurs linéaires résonants peuvent être fixés sous ce type de barre tactile pour générer et localiser des stimuli vibrotactiles. L’avantage de cette solution est sa compacité ainsi que l’absence de contraintes sur les conditions aux limites créées par la fixation de la barre tactile. [0041] Different applications of the tactile stimulation interface according to the invention can be envisaged. [0042] Some laptop computers have a very elongated touchpad, acting as a touch bar. However, these are devoid of haptic feedback. Resonant linear actuators can be attached under this type of touch bar to generate and localize vibrotactile stimuli. The advantage of this solution is its compactness as well as the absence of constraints on the boundary conditions created by the fixing of the touch bar.
[0043] Il est difficile d’implémenter un retour haptique sur une grande surface, par exemple sur un écran d’ordinateur ou une portière de voiture, notamment à cause de la puissance d’actionnement requise. Pour certaines applications, il n’est cependant pas nécessaire que le retour haptique se fasse sur l’intégralité de ladite surface. Les métamatériaux acoustiques offrent alors une solution pour délimiter la zone de vibration et ainsi réduire la puissance requise. [0043] It is difficult to implement haptic feedback on a large surface, for example on a computer screen or a car door, in particular because of the actuation power required. For some applications, however, it is not necessary for the haptic feedback to take place over the entirety of said surface. Acoustic metamaterials then offer a solution to delimit the vibration zone and thus reduce the power required.
[0044] De nombreuses applications de la vie courante nécessitent une exploration tactile à deux mains, que ce soit la perception de textures ou la lecture du braille. Cependant, la plupart des interfaces tactiles existantes ont un retour haptique identique sur l’intégralité de leur surface et sont par conséquent limitées à des interactions avec un seul doigt. L’utilisation d’actionneurs linéaires résonants pour former un métamatériau acoustique reconfigurable permet un retour tactile localisé. Un des avantages de cette solution est l’absence de zone morte, ce qui permet une grande densité de pixels tactiles dits « taxels ». Cela est crucial pour les tablettes tactiles et smartphones dont la surface d’interaction avec l’utilisateur est faible et dont l’exploration tactile est réalisée par les mains qui sont dotées d’une grande acuité tactile. L’utilisation de métamatériaux acoustiques pour créer des stimuli tactiles localisés sous chaque doigt ouvre la porte à des interactions multipoints plus réalistes. [0044] Many everyday applications require tactile exploration with two hands, whether it is the perception of textures or the reading of Braille. However, most existing touch interfaces have identical haptic feedback over their entire surface and are therefore limited to interactions with a single finger. Using resonant linear actuators to form reconfigurable acoustic metamaterial allows for localized tactile feedback. One of the advantages of this solution is the absence of a dead zone, which allows a high density of tactile pixels called “taxels”. This is crucial for touch tablets and smartphones whose surface for interaction with the user is small and whose tactile exploration is carried out by the hands which are endowed with great tactile acuity. Using acoustic metamaterials to create localized tactile stimuli under each finger opens the door to more realistic multi-point interactions.
[0045] Les manettes de jeu récentes intègrent un retour vibrotactile haute-fidélité avec la présence de deux actionneurs disposés de part et d’autre de la manette. Toutefois, le manque d’isolation vibratoire entre les parties gauche et droite est source de diaphonie entre les deux voies. L’intégration d’un métamatériau acoustique au centre de la manette permet d’isoler les deux parties, améliorant ainsi la fidélité du retour haptique. Puisque la plupart de ces manettes utilisent déjà des actionneurs résonants linéaires pour générer le retour haptique, ce métamatériau acoustique pourra simplement être réalisé par l’ajout d’actionneurs résonants linéaires supplémentaires. [0045] Recent game controllers incorporate high-fidelity vibrotactile feedback with the presence of two actuators arranged on either side of the controller. However, the lack of vibration isolation between the left and right parts is a source of crosstalk between the two channels. The integration of an acoustic metamaterial in the center of the controller makes it possible to isolate the two parts, thus improving the fidelity of the haptic feedback. Since most of these controllers already use linear resonant actuators to generate haptic feedback, this acoustic metamaterial can simply be achieved by adding additional linear resonant actuators.
[0046] Avec l’avènement des réalités virtuelles et augmentées sont apparues de nombreuses vestes haptiques. Celle-ci se composent d’une matrice d’actionneurs attachés à un medium souple porté par l’utilisateur. La propagation des vibrations à travers ce medium nuit à la fidélité en « floutant » le retour haptique. Cet effet néfaste peut être évité avec l’utilisation d’un métamatériau acoustique pour isoler chaque zone de rendu tactile. L’utilisation d’actionneurs résonants linéaires pour réaliser ce métamatériau acoustique permet d’avoir une bande interdite basse fréquence, centrée entre 100 Hz et 300 Hz, tout en minimisant la masse et l’encombrement. Ces contraintes sont en effet critiques pour les dispositifs haptiques portables comme les vestes. [0046] With the advent of virtual and augmented realities, many haptic jackets have appeared. These consist of a matrix of actuators attached to a flexible medium worn by the user. The propagation of vibrations through this medium harms fidelity by "blurring" the haptic feedback. This detrimental effect can be avoided with the use of an acoustic metamaterial to isolate each tactile rendering area. The use of linear resonant actuators to produce this acoustic metamaterial makes it possible to have a low-frequency band gap, centered between 100 Hz and 300 Hz, while minimizing mass and bulk. These constraints are indeed critical for wearable haptic devices such as jackets.

Claims

Revendications Claims
[Revendication 1] [Interface de stimulation tactile (10), comprenant une première face (7), destinée à être explorée tactilement, et appelée face tactile, et une deuxième face (8) munie d’au moins un actionneur (1 a, 1 b, 1 c, 1 d), ledit au moins un actionneur (1a, 1 b, 1c, 1d) étant configuré pour être excité de manière à générer et à transmettre des ondes acoustiques à la face tactile (7), l’interface (10) étant caractérisée en ce que la deuxième face (8) comprend au moins une zone de confinement des ondes acoustiques (11 ) générées par ledit au moins un actionneur (1a, 1 b, 1c, 1 d), ladite au moins une zone de confinement (11 ) étant délimitée au moins en partie par au moins un miroir acoustique (9) réalisé par un métamatériau acoustique configuré pour réfléchir les ondes acoustiques de fréquences comprises dans un intervalle prédéterminé, appelé bande interdite, ladite bande interdite incluant la fréquence porteuse des ondes acoustiques générées par ledit au moins un actionneur (1a, 1 b, 1c, 1 d), l’interface (10) étant en outre caractérisée en ce que ledit au moins un miroir acoustique (9) et ledit au moins un actionneur (1 a, 1 b, 1 c,[Claim 1] [Tactile stimulation interface (10), comprising a first face (7), intended to be explored by touch, and called the touch face, and a second face (8) provided with at least one actuator (1 a, 1b, 1c, 1d), said at least one actuator (1a, 1b, 1c, 1d) being configured to be excited so as to generate and transmit acoustic waves to the tactile face (7), the interface (10) being characterized in that the second face (8) comprises at least one confinement zone for the acoustic waves (11) generated by the said at least one actuator (1a, 1b, 1c, 1d), the said at least a confinement zone (11) being delimited at least in part by at least one acoustic mirror (9) produced by an acoustic metamaterial configured to reflect the acoustic waves of frequencies included in a predetermined interval, called forbidden band, said forbidden band including the carrier frequency of the acoustic waves generated by said at least one actuator ( 1a, 1b, 1c, 1d), the interface (10) being further characterized in that said at least one acoustic mirror (9) and said at least one actuator (1a, 1b, 1c,
1d) comprennent chacun un système configuré pour, dans une première configuration, générer et transmettre des ondes acoustiques à la face tactile (7) et pour, dans une deuxième configuration, empêcher la propagation d’ondes acoustiques de fréquences comprises dans la bande interdite. 1d) each comprise a system configured to, in a first configuration, generate and transmit acoustic waves to the touch face (7) and to, in a second configuration, prevent the propagation of acoustic waves of frequencies included in the forbidden band.
[Revendication 2] Interface (10) selon la revendication 1 , caractérisée en ce que ledit au moins un actionneur (1 a, 1 b, 1 c, 1 d) et ledit au moins un miroir acoustique (9) comprennent un actionneur résonant. [Claim 2] Interface (10) according to claim 1, characterized in that said at least one actuator (1 a, 1 b, 1 c, 1 d) and said at least one acoustic mirror (9) comprise a resonant actuator.
[Revendication 3] Interface (10) selon la revendication 2, caractérisé en ce que l’actionneur résonant oscille dans un mouvement de translation ou de rotation. [Revendication 4] Interface (10) selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que chaque actionneur résonant comprend une masse (2), un ressort (3), un aimant [Claim 3] Interface (10) according to claim 2, characterized in that the resonant actuator oscillates in a movement of translation or rotation. [Claim 4] Interface (10) according to claim 2 or 3, characterized in that each resonant actuator comprises a mass (2), a spring (3), a magnet
(4) et une bobine (5). (4) and a coil (5).
[Revendication 5] Interface (10) selon la revendication 4, caractérisée en ce que l’actionneur résonant est configuré pour générer et transmettre des ondes acoustiques à la face tactile lorsqu’un courant traverse la bobine et en ce que l’actionneur résonant est configuré pour empêcher la propagation d’ondes acoustiques de fréquences comprises dans une bande interdite lorsqu’aucun courant ne traverse la bobine. [Revendication 6] Interface (10) selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la bande interdite du métamatériau acoustique est comprise dans un intervalle de fréquences inférieures à 500 Hz. [Revendication 7] Interface (10) selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que ladite au moins une zone de confinement des ondes acoustiques (11 ) est une surface rectangulaire aux bords orthogonaux ou une surface circulaire.! j [Claim 5] Interface (10) according to claim 4, characterized in that the resonant actuator is configured to generate and transmit acoustic waves to the tactile face when a current passes through the coil and in that the resonant actuator is configured to prevent the propagation of acoustic waves of frequencies within a bandgap when no current passes through the coil. [Claim 6] Interface (10) according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the forbidden band of the acoustic metamaterial is included in a frequency interval lower than 500 Hz. [Claim 7] Interface (10) according to one of claims 1 to 6, characterized in that said at least one acoustic wave confinement zone (11) is a rectangular surface with orthogonal edges or a circular surface.! I
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020225370A1 (en) * 2019-05-07 2020-11-12 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Touch interface offering improved localised vibrotactile feedback
US11030865B1 (en) * 2019-12-13 2021-06-08 Facebook Technologies, Llc Systems and methods for delivering a plurality of haptic effects

Patent Citations (2)

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