WO2022269186A1 - Interface for delivering tactile stimulation - Google Patents

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WO2022269186A1
WO2022269186A1 PCT/FR2022/051200 FR2022051200W WO2022269186A1 WO 2022269186 A1 WO2022269186 A1 WO 2022269186A1 FR 2022051200 W FR2022051200 W FR 2022051200W WO 2022269186 A1 WO2022269186 A1 WO 2022269186A1
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WO
WIPO (PCT)
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interface
face
actuator
acoustic
resonators
Prior art date
Application number
PCT/FR2022/051200
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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

Definitions

  • 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.
  • existing devices often lack convincing haptic feedback.
  • a goal of haptic research is to improve user experience by creating tactile stimuli.
  • the attention of the scientific community has recently focused on ultrasonic lubrication and vibrotactile feedback.
  • the first option exploits transverse ultrasonic waves (from 20 kHz to 200 kHz) as a means of modulating the apparent friction of a smooth surface.
  • the second option uses waves at much lower frequencies (from 0 Hz to 500 Hz) to directly stimulate the mechanoreceptors of the human finger.
  • Said at least one actuator can be a piezoelectric actuator or an electromagnetic actuator.
  • the first face 3 is intended to be explored by touch, for example by the fingers of a user.
  • the first face 3 is designated touch surface.
  • Recent game controllers incorporate high-fidelity vibrotactile feedback with the presence of two actuators arranged on either side of the controller.
  • 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.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • User Interface Of Digital Computer (AREA)

Abstract

The present invention relates to an interface (1) for delivering tactile stimulation, comprising a first face (3), intended to be explored by touch, and called the tactile face, and a second face (4) provided with at least one actuator (5), said at least one actuator (5) being configured to be excited so as to generate and transmit acoustic waves to the tactile face, the interface (1) being characterized in that the second face (4) comprises at least one zone (7) for confining acoustic waves generated by said at least one actuator (5), said at least one confining zone (7) being delineated at least partially by acoustic mirrors (6) formed from an acoustic metamaterial configured to reflect acoustic waves of frequencies comprised in a predetermined interval, called the band gap, said band gap including the carrier frequency of the acoustic waves generated by said at least one actuator (5).

Description

Description Description
INTERFACE DE STIMULATION TACTILE TOUCH STIMULATION INTERFACE
[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. En conséquence, un objectif de la recherche haptique est d'améliorer l'expérience de l'utilisateur en créant des stimuli tactiles. Parmi de nombreuses options technologiques, l'attention de la communauté scientifique s'est récemment portée sur la lubrification ultrasonique et sur le retour vibrotactile. La première option exploite les ondes transverses ultrasonores (de 20 kHz à 200 kHz) comme moyen de moduler la friction apparente d'une surface lisse. La seconde option utilise des ondes à des fréquences bien plus basses (de 0 Hz à 500 Hz) pour stimuler directement les mécanorécepteurs du doigt humain. [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. Accordingly, a goal of haptic research is to improve user experience by creating tactile stimuli. Among many technological options, the attention of the scientific community has recently focused on ultrasonic lubrication and vibrotactile feedback. The first option exploits transverse ultrasonic waves (from 20 kHz to 200 kHz) as a means of modulating the apparent friction of a smooth surface. The second option uses waves at much lower frequencies (from 0 Hz to 500 Hz) to directly stimulate the mechanoreceptors of the human finger.
[0004] La lubrification par ultrasons, utilisée à l'origine dans des applications industrielles, s'appuie dans le domaine haptique sur des ondes ultrasoniques transversales établies dans une plaque pour créer un coussin d'air entre la peau et la surface. Avec cette technique, la charge normale appliquée par la pulpe du doigt sur la surface est partagée entre le coussin d'air et les aspérités de la couche cornée de la peau en contact intime avec la surface. La surface de contact effective est réduite ainsi que le frottement. [0004] Ultrasonic lubrication, originally used in industrial applications, relies in the haptic domain on transverse ultrasonic waves established in a plate to create an air cushion between the skin and the surface. With this technique, the normal load applied by the fingertip to the surface is shared between the air cushion and the asperities of the stratum corneum of the skin in intimate contact with the surface. The effective contact surface is reduced as well as the friction.
[0005] Les êtres humains étant sensibles aux changements de friction, des caractéristiques haptiques virtuelles peuvent être générées sur une surface lisse. À ce jour, cependant, la lubrification par ultrasons est limitée aux interactions globales, car les ondes stationnaires doivent être établies sur l'ensemble d'une plaque. [0006] Les êtres humains étant sensibles aux vibrations, des caractéristiques haptiques virtuelles peuvent être générées en faisant vibrer directement une partie du corps dans la plage fréquentielle pouvant être perçue par les mécanorécepteurs (de 0 Hz à 500 Hz). À ce jour, cependant, le retour vibrotactile est limité en ce que les vibrations se propagent dans le medium contenant les actionneurs ce qui empêchent un contrôle précis des vibrations et une haute- fidélité haptique. [0005] Since humans are sensitive to changes in friction, virtual haptic features can be generated on a smooth surface. To date, however, ultrasonic lubrication is limited to global interactions, as standing waves must be established across an entire plate. [0006] Since human beings are sensitive to vibrations, virtual haptic characteristics can be generated by directly vibrating a part of the body in the frequency range that can be perceived by the mechanoreceptors (from 0 Hz to 500 Hz). To date, however, vibrotactile feedback is limited in that the vibrations propagate through the medium containing the actuators which prevents precise vibration control and high haptic fidelity.
[0007] Plusieurs solutions actuelles permettant la localisation haptique 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. [0007] Several current solutions allowing haptic localization are based on a software approach, such as for example time reversal and the inverse filter. This requires significant computing power, incompatible with the constraints of real-time servoing of haptic systems.
[0008] Les solutions de l’état de l’art qui localisent les ultrasons dans des plaques ont pour défaut d’avoir des amplitudes vibratoires très faibles, insuffisantes pour générer un coussin d’air lubrifiant le contact de manière significative. [0009] Les solutions de l’état de l’art qui localisent les signaux vibrotactiles dépendent grandement de la forme des actionneurs et des conditions aux limites de fixation du dispositif. [0008] State-of-the-art solutions that localize ultrasound in plates have the defect of having very low vibration amplitudes, insufficient to generate a cushion of air that significantly lubricates the contact. [0009] The state-of-the-art solutions that localize the vibrotactile signals greatly depend on the shape of the actuators and the boundary conditions for fixing the device.
[0010] La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. The present invention aims to remedy these drawbacks.
[0011] 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. [0011] 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.
[0012] 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 des miroirs acoustiques réalisés par un métamatériau acoustique configuré pour réfléchir les ondes acoustiques de fréquences comprises dans un intervalle prédéterminé, appelé bande interdite. [0013] La bande interdite inclut avantageusement la fréquence porteuse des ondes acoustiques générées par ledit au moins un actionneur. La fréquence porteuse est la fréquence d’une onde sinusoïdale qui est ensuite modulée par un signal qui contient l’information haptique. 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 acoustic mirrors made by an acoustic metamaterial configured to reflect acoustic waves of frequencies included in a predetermined interval, called forbidden band. The forbidden band advantageously includes the carrier frequency of the acoustic waves generated by said at least one actuator. carrier frequency is the frequency of a sine wave which is then modulated by a signal which contains the haptic information.
[0014] Ledit au moins un actionneur peut être un actionneur piézoélectrique ou un actionneur électromagnétique. Said at least one actuator can be a piezoelectric actuator or an electromagnetic actuator.
[0015] De manière générale, le métamatériau peut comprendre des résonateurs arrangés périodiquement. [0015] In general, the metamaterial may comprise periodically arranged resonators.
[0016] La bande interdite du métamatériau acoustique peut être comprise dans un intervalle de fréquences inférieures à 500 Hz. [0016] The forbidden band of the acoustic metamaterial can be included in a frequency range below 500 Hz.
[0017] Le métamatériau peut comprendre dans ce cas des résonateurs arrangés périodiquement. [0017] In this case, the metamaterial may comprise periodically arranged resonators.
[0018] Les résonateurs peuvent dans ce cas être des billes en tungstène, cuivre, acier ou plomb, entourées de silicone. [0018] In this case, the resonators can be tungsten, copper, steel or lead balls, surrounded by silicone.
[0019] La première face et la deuxième face peuvent former une plaque. [0019] The first face and the second face can form a plate.
[0020] La plaque peut être en métal, en silicium ou en verre. [0020] The plate can be made of metal, silicon or glass.
[0021] La bande interdite du métamatériau acoustique peut être comprise dans un intervalle de fréquences allant de 20 kHz à 200 kHz. [0021] The band gap of the acoustic metamaterial can be within a frequency interval ranging from 20 kHz to 200 kHz.
[0022] Le métamatériau peut également comprendre dans ce cas des résonateurs arrangés périodiquement. [0022] The metamaterial can also comprise in this case periodically arranged resonators.
[0023] Les résonateurs peuvent être des cylindres en aluminium de section circulaire ou rectangulaire. En variante, les résonateurs peuvent être des billes en tungstène, cuivre, acier ou plomb, montées sur un cylindre en aluminium de section circulaire ou rectangulaire. [0023] The resonators can be aluminum cylinders of circular or rectangular section. As a variant, the resonators can be tungsten, copper, steel or lead balls mounted on an aluminum cylinder of circular or rectangular section.
[0024] 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.
[0025] 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 description which follows, given by way of non-limiting example and made with reference to the appended figures:
[0026] [Fig. 1] est une vue en perspective de dessus d’une interface de stimulation tactile selon l’invention, conformément à un premier mode de réalisation, [0027] [Fig. 2] est une vue en perspective de dessous d’une interface de stimulation tactile selon l’invention, conformément à un premier mode de réalisation, [0026] [Fig. 1] is a top perspective view of a tactile stimulation interface according to the invention, in accordance with a first embodiment, [0027] [Fig. 2] is a perspective view from below of a tactile stimulation interface according to the invention, in accordance with a first embodiment,
[0028] [Fig. 3] est une vue en perspective de dessous d’une interface de stimulation tactile selon l’invention, conformément à un deuxième mode de réalisation, [0028] [Fig. 3] is a perspective view from below of a tactile stimulation interface according to the invention, in accordance with a second embodiment,
[0029] [Fig. 4] est une vue de détail de l’interface de stimulation tactile de la figure 3,[0029] [Fig. 4] is a detail view of the tactile stimulation interface in figure 3,
[0030] [Fig. 5] est une première vue en perspective de dessus d’une interface de stimulation tactile selon l’invention, conformément à un troisième mode de réalisation, et [0030] [Fig. 5] is a first top perspective view of a tactile stimulation interface according to the invention, in accordance with a third embodiment, and
[0031] [Fig. 6] est une deuxième vue en perspective de dessus d’une interface de stimulation tactile selon l’invention, conformément à un troisième mode de réalisation. [0031] [Fig. 6] is a second top perspective view of a tactile stimulation interface according to the invention, in accordance with a third embodiment.
[0032] DESCRIPTION DETAILLEE [0032] DETAILED DESCRIPTION
[0033] Sur les figures 1 et 2, on peut voir représenté schématiquement un exemple d’interface tactile 1 selon l’invention comportant une plaque 2 comprenant une première face 3 et une deuxième face 4 opposée à la première face 3. In Figures 1 and 2, one can see schematically represented an example of touch interface 1 according to the invention comprising a plate 2 comprising a first face 3 and a second face 4 opposite the first face 3.
[0034] La première face 3 est destinée à être explorée tactilement, par exemple par les doigts d’un utilisateur. La première face 3 est désignée surface tactile. The first face 3 is intended to be explored by touch, for example by the fingers of a user. The first face 3 is designated touch surface.
[0035] Dans l’exemple représenté, la face tactile 3 est plane mais la présente invention s’applique également à des surfaces tactiles courbes et à des plaques courbes. Le terme « plaque » n’est pas limité à un élément plan, mais à 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 3 is flat but the present invention also applies to curved touch surfaces and curved plates. The term "plate" is not limited to a flat element, but to 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.
[0036] La face tactile 3 peut être destinée à être touchée par la pulpe d’un doigt 8 ou de plusieurs doigts. On peut également envisager que la surface tactile 3 soit apte à appliquer une stimulation à toute partie du corps de l’utilisateur sensible au toucher. The tactile face 3 can be intended to be touched by the pulp of a finger 8 or several fingers. It is also conceivable that the tactile surface 3 is capable of applying stimulation to any part of the user's body sensitive to touch.
[0037] La deuxième face 4 est munie d’un ou plusieurs actionneurs 5, de sorte que lorsque le ou les actionneurs 5 sont excités, ils transmettent des vibrations (ondes acoustiques) à la plaque 2. [0038] Les actionneurs sont par exemple des actionneurs en céramique piézoélectrique, tel que le PZT (titano-zirconate de plomb), fixés sur la deuxième face 4, par exemple par collage. En variante, les actionneurs peuvent être réalisés par des électrodes interdigitées déposées directement sur la deuxième face 4 dans le cas où celle-ci est réalisée dans un matériau piézoélectrique, tel que le LiNb03 (niobate de lithium). En variante, les actionneurs peuvent être électromagnétiques et fixés sur la deuxième face 4, par exemple par collage. The second face 4 is provided with one or more actuators 5, so that when the actuator(s) 5 are excited, they transmit vibrations (acoustic waves) to the plate 2. The actuators are for example piezoelectric ceramic actuators, such as PZT (lead titano-zirconate), fixed on the second face 4, for example by gluing. As a variant, the actuators can be made by interdigitated electrodes deposited directly on the second face 4 in the case where the latter is made of a piezoelectric material, such as LiNb03 (lithium niobate). As a variant, the actuators can be electromagnetic and fixed on the second face 4, for example by gluing.
[0039] L’invention a pour objectif de localiser spatialement des stimuli tactiles. Pour obtenir une zone de vibration localisée, l’interface selon l’invention met en œuvre des miroirs acoustiques 6. 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. The object of the invention is to spatially locate tactile stimuli. To obtain a localized vibration zone, the interface according to the invention implements acoustic mirrors 6. 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.
[0040] L’invention utilise des métamatériaux acoustiques qui ont pour particularité d’empêcher la propagation des vibrations sur une certaine plage de fréquence.The invention uses acoustic metamaterials which have the particularity of preventing the propagation of vibrations over a certain frequency range.
Ces métamatériaux se comportent alors comme des miroirs acoustiques, ce qui permet de délimiter des zones de rendu tactile. These metamaterials then behave like acoustic mirrors, which makes it possible to delimit areas of tactile rendering.
[0041] 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 (band gap en langue anglaise), 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 forbidden band (band gap in English), that is to say a frequency range in which the acoustic waves do not propagate.
[0042] Ainsi, des miroirs acoustiques 6 constitués de métamatériaux sont agencés spatialement pour créer des zones de confinement des ondes acoustiques 7, qui sont appelées des guides d’ondes. Les guides d’ondes 7 peuvent être par exemple de forme rectangulaire. Les métamatériaux sont 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) ou bien à hautes fréquences pour la lubrification ultrasonique (de 20 kHz à 200 kHz). [0043] Cette bande interdite résulte de l’action collective de résonateurs locaux 9 qui peuvent être arrangés périodiquement pour constituer le métamatériau. Les résonateurs locaux sont des éléments ayant une fréquence de résonance proche de la bande interdite. Un agencement périodique des résonateurs n’est toutefois pas nécessaire pour garantir leur bon fonctionnement, mais cela facilite les étapes de modélisation et de fabrication. [0042] Thus, acoustic mirrors 6 made of metamaterials are spatially arranged to create acoustic wave confinement zones 7, which are called waveguides. The waveguides 7 can for example be of rectangular shape. The metamaterials are optimized so that the bandgap includes the carrier frequency of the haptic signal. This carrier frequency can be at low frequencies in the vibrotactile domain (frequencies below 500 Hz) or at high frequencies for ultrasonic lubrication (from 20 kHz to 200 kHz). This forbidden band results from the collective action of local resonators 9 which can be periodically arranged to form the metamaterial. Local resonators are elements having a resonant frequency close to the forbidden band. A periodic arrangement of the resonators is however not necessary to guarantee their proper functioning, but this facilitates the modeling and manufacturing stages.
[0044] Dans une variante, la bande interdite peut résulter des interférences destructives due à la diffraction des ondes acoustiques sur la structure périodique. Le procédé est analogue à la diffraction de Bragg ayant lieu dans les cristaux. Cette variante est néanmoins limitée aux ondes acoustiques dont la longueur d’onde est voisine de la périodicité de la structure. Les résonateurs locaux 9 n’ont pas cette limitation et sont ainsi de bons candidats pour créer des métamatériaux compacts, adaptés aux contraintes haptiques. In a variant, the forbidden band can result from destructive interference due to the diffraction of acoustic waves on the periodic structure. The process is analogous to Bragg diffraction taking place in crystals. This variant is nevertheless limited to acoustic waves whose wavelength is close to the periodicity of the structure. Local resonators 9 do not have this limitation and are thus good candidates for creating compact metamaterials, adapted to haptic constraints.
[0045] Le domaine vibrotactile est régi par les basses fréquences, inférieures à 500 Hz, et cela nécessite des résonateurs dont les tailles peuvent être importantes. Pour atteindre des plages fréquentielles si basses, il faut augmenter la masse et diminuer la raideur des résonateurs. Cela s’opère en modifiant leur géométrie et/ou leurs matériaux. Par exemple, l’utilisation du tungstène, de très haute densité, comme masse et du silicone, très souple, comme ressort permet de centrer la bande interdite autour de 290 Hz avec une structure d’une périodicité de 15 mm. The vibrotactile domain is governed by low frequencies, below 500 Hz, and this requires resonators whose sizes can be large. To reach such low frequency ranges, it is necessary to increase the mass and reduce the stiffness of the resonators. This is done by modifying their geometry and/or their materials. For example, the use of tungsten, of very high density, as mass and silicone, very flexible, as spring makes it possible to center the band gap around 290 Hz with a structure with a periodicity of 15 mm.
[0046] Sur la figure 1 , chaque miroir acoustique 6 comprend trois rangées de vingt résonateurs 9. Sur la figure 2, les miroirs acoustiques 6 comprennent 2 rangées de résonateurs 9. In Figure 1, each acoustic mirror 6 comprises three rows of twenty resonators 9. In Figure 2, the acoustic mirrors 6 comprise 2 rows of resonators 9.
[0047] Plusieurs modes de réalisation peuvent être envisagés. Ils correspondent à diverses déclinaisons de l’invention faisant varier la forme et le matériau des résonateurs locaux, leurs dimensions ainsi que leur périodicité. Several embodiments can be considered. They correspond to various versions of the invention, varying the shape and material of the local resonators, their dimensions and their periodicity.
[0048] Dans un premier mode de réalisation, tel qu’illustré aux figures 1 et 2, les résonateurs 9 sont des cylindres élancés de section circulaire. On peut par exemple utiliser des cylindres en aluminium de diamètre 3,5 mm et de longueur 14,5 mm, la période spatiale de la structure étant de 7 mm. Ils peuvent également être réalisés dans d’autres matériaux à faible amortissement tels que du métal, du silicium ou du verre. In a first embodiment, as illustrated in Figures 1 and 2, the resonators 9 are slender cylinders of circular section. One can for example use aluminum cylinders with a diameter of 3.5 mm and a length of 14.5 mm, the spatial period of the structure being 7 mm. They can also be made of other materials with low damping such as metal, silicon or glass.
[0049] Dans un deuxième mode de réalisation, tel qu’illustré aux figures 3 et 4, les résonnateurs 9 sont des billes de tungstène montées sur des tiges en aluminium. On peut par exemple utiliser des billes de tungstène de diamètre 3 mm qui sont collées sur une structure imprimée en trois dimensions en aluminium, la période spatiale de la structure étant de 4 mm. In a second embodiment, as illustrated in Figures 3 and 4, the resonators 9 are tungsten balls mounted on aluminum rods. It is for example possible to use tungsten beads with a diameter of 3 mm which are bonded to a structure printed in three dimensions in aluminium, the spatial period of the structure being 4 mm.
[0050] Le premier et le deuxième mode de réalisation mettent en œuvre des ondes acoustiques ultrasonores. The first and the second embodiment implement ultrasonic acoustic waves.
[0051] Pour les ondes ultrasonores, on peut utiliser une plaque en métal, en silicium ou en verre. [0051] For ultrasonic waves, a metal, silicon or glass plate can be used.
[0052] Dans un troisième mode de réalisation, tel qu’illustré aux figures 5 et 6, les résonateurs sont des billes de tungstène enrobées de silicone. On peut par exemple utiliser comme résonateurs des billes de tungstène de diamètre 7,5 mm enrobées de silicone d’une dureté Shore 00-30, la période spatiale de la structure étant de 15 mm. Tel qu’illustrée aux figures 5 et 6, l’interface comprend seize zones vibrotactiles 7, qui sont des guides d’ondes de forme par exemple carrée, et qui sont délimités par les miroirs acoustiques 6 comprenant les billes de tungstène encapsulées dans un cylindre de silicone. Les résonateurs peuvent être disposés dans une matrice de PMMA (polyméthacrylate de méthyle). In a third embodiment, as illustrated in Figures 5 and 6, the resonators are tungsten balls coated with silicone. One can for example use as resonators tungsten balls with a diameter of 7.5 mm coated with silicone with a Shore hardness of 00-30, the spatial period of the structure being 15 mm. As illustrated in FIGS. 5 and 6, the interface comprises sixteen vibrotactile zones 7, which are waveguides of for example square shape, and which are delimited by the acoustic mirrors 6 comprising the tungsten balls encapsulated in a cylinder of silicon. The resonators can be arranged in a matrix of PMMA (polymethyl methacrylate).
[0053] Le troisième mode de réalisation met en œuvre des ondes acoustiques dont la fréquence est dans le domaine du vibrotactile (fréquences inférieures à 500 Hz). La bande interdite peut être centrée sur une fréquence de 290 Hz. Les billes peuvent être en tungstène, en cuivre, en acier ou en plomb. The third embodiment implements acoustic waves whose frequency is in the vibrotactile domain (frequencies below 500 Hz). The forbidden band can be centered on a frequency of 290 Hz. The balls can be made of tungsten, copper, steel or lead.
[0054] Certaines techniques sont limitées à la localisation de vibrations uniquement au niveau de l’actionneur. L’invention ne souffre pas de cette limitation puisque l’intégralité d’un guide d’ondes peut vibrer grâce à un unique actionneur placé quelque part sur le guide d’ondes. De manière générale, l’actionneur a une taille inférieure ou égale à celle du guide d’ondes. [0054] Some techniques are limited to locating vibrations only at the level of the actuator. The invention does not suffer from this limitation since the entirety of a waveguide can vibrate thanks to a single actuator placed somewhere on the waveguide. Generally speaking, the actuator has a size less than or equal to that of the waveguide.
[0055] Certains dispositifs présentant un rendu haptique localisé stimulent le doigt à des fréquences qui sont fonction de la géométrie des actionneurs, de la plaque et des conditions aux limites. La fréquence de fonctionnement de l’interface selon l’invention peut être ajustée en modifiant la bande interdite, c’est-à-dire en changeant le résonateur. [0055] Certain devices with localized haptic rendering stimulate the finger at frequencies which are a function of the geometry of the actuators, of the plate and boundary conditions. The operating frequency of the interface according to the invention can be adjusted by modifying the forbidden band, that is to say by changing the resonator.
[0056] La résolution spatiale des solutions actuelles est fonction des dimensions de l’actionneur. La résolution spatiale de l’invention dépend des dimensions du résonateur. The spatial resolution of current solutions depends on the dimensions of the actuator. The spatial resolution of the invention depends on the dimensions of the resonator.
[0057] Les aires de rendus tactiles localisés sont séparées par plusieurs rangées de résonateurs. En pratique, un nombre suffisant de rangées est réalisé pour créer un miroir acoustique doté d’une bonne réflexion. La zone constituée de ces rangées est un métamatériau qui réfléchit les vibrations. Par conséquent, elle ne vibre pas et elle constitue alors une zone morte dans laquelle aucun stimulus tactile ne peut être généré. Pour diminuer la taille des zones mortes, il est possible de réduire le nombre de rangées. On peut ainsi envisager de mettre en œuvre deux ou trois rangées. The localized tactile rendering areas are separated by several rows of resonators. In practice, a sufficient number of rows are made to create an acoustic mirror with good reflection. The area made up of these rows is a metamaterial that reflects vibrations. Consequently, it does not vibrate and therefore constitutes a dead zone in which no tactile stimulus can be generated. To reduce the size of the dead zones, it is possible to reduce the number of rows. It is thus possible to envisage implementing two or three rows.
[0058] La disposition spatiale du métamatériau acoustique est fixée lors de sa fabrication. Le signal tactile envoyé dans le guide d’onde pourra néanmoins toujours être modulé temporellement. The spatial arrangement of the acoustic metamaterial is fixed during its manufacture. The tactile signal sent in the waveguide can nevertheless always be modulated in time.
[0059] La plaque de l’interface tactile peut être plane. On peut également utiliser une plaque courbée sans que cela affecte son fonctionnement. Il est également possible de réaliser un métamatériau acoustique dans un volume avec une périodicité spatiale tridimensionnelle. [0059] The touch interface plate may be flat. You can also use a curved plate without affecting its operation. It is also possible to produce an acoustic metamaterial in a volume with a three-dimensional spatial periodicity.
[0060] On peut envisager différentes applications de l’interface de stimulation tactile selon l’invention. [0060] Different applications of the tactile stimulation interface according to the invention can be envisaged.
[0061] 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. [0061] 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.
[0062] La lubrification ultrasonique est actuellement limitée à des surfaces dont les bords sont orthogonaux. Cette condition est nécessaire pour l’établissement de modes de vibration réguliers qui garantissent une lubrification homogène. Pour des raisons ergonomiques, nombreux sont les objets courants à posséder des bords irréguliers ou arrondis (par exemple un tableau de bord de voiture, une souris d’ordinateur ou une manette de jeux). Les métamatériaux acoustiques peuvent alors créer un guide d’onde aux bords orthogonaux pour s’affranchir des irrégularités et des arrondis, ce qui rendrait possible la modulation du frottement sur les objets courants sur lesquels des textures artificielles pourraient alors être simulées. [0062] Ultrasonic lubrication is currently limited to surfaces whose edges are orthogonal. This condition is necessary for the establishment of regular vibration patterns that guarantee homogeneous lubrication. For ergonomic reasons, many common objects have irregular or rounded edges (for example a car dashboard, a computer mouse or a joystick). Acoustic metamaterials can then create a waveguide with orthogonal edges to overcome irregularities and roundings, which would make possible the modulation of friction on common objects on which artificial textures could then be simulated.
[0063] 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 de métamatériaux acoustiques pour créer des stimuli tactiles (vibrations, frottements) localisés sous chaque doigt ouvre la porte à des interactions multipoints plus réalistes. [0063] 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. The use of acoustic metamaterials to create tactile stimuli (vibrations, frictions) localized under each finger opens the door to more realistic multipoint interactions.
[0064] La lubrification ultrasonique localisée permet de modifier spatialement le coefficient de frottement apparent d’une plaque. La diminution locale du frottement peut être utilisée pour mettre en mouvement des objets de manière sélective. Par exemple avec une plaque ultrasonique inclinée, un objet placé sur une zone lubrifiée pourra être mis en mouvement alors que le même objet sur une zone non lubrifiée sera statique. Des applications dans le domaine du convoyage et du tri sont envisageables. [0064] Localized ultrasonic lubrication makes it possible to spatially modify the apparent coefficient of friction of a plate. Local friction reduction can be used to selectively set objects in motion. For example, with an inclined ultrasonic plate, an object placed on a lubricated area can be set in motion while the same object on a non-lubricated area will be static. Applications in the field of conveying and sorting are possible.
[0065] 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. [0065] 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.
[0066] 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. [0066] With the advent of virtual and augmented realities, numerous haptic jackets have appeared. These consist of a matrix of actuators attached to a flexible medium carried by the user. The propagation of vibrations through this medium harms fidelity by "blurring" the feedback haptic. This adverse effect can be avoided with the use of an acoustic metamaterial to isolate each tactile rendering area.

Claims

Revendications Claims
[Revendication 1] [Interface de stimulation tactile (1), comprenant une première face (3), destinée à être explorée tactilement, et appelée face tactile, et une deuxième face (4) munie d’au moins un actionneur (5), ledit au moins un actionneur (5) étant configuré pour être excité de manière à générer et à transmettre des ondes acoustiques à la face tactile (3), l’interface (1) étant caractérisée en ce que la deuxième face (4) comprend au moins une zone de confinement des ondes acoustiques (7) générées par ledit au moins un actionneur (5), ladite au moins une zone de confinement (7) étant délimitée au moins en partie par des miroirs acoustiques (6) réalisés 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 (5). [Claim 1] [Tactile stimulation interface (1), comprising a first face (3), intended to be explored by touch, and called the touch face, and a second face (4) provided with at least one actuator (5), said at least one actuator (5) being configured to be excited so as to generate and transmit acoustic waves to the tactile face (3), the interface (1) being characterized in that the second face (4) comprises at at least one confinement zone for the acoustic waves (7) generated by said at least one actuator (5), said at least one confinement zone (7) being delimited at least in part by acoustic mirrors (6) made of 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 (5).
[Revendication 2] Interface (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit au moins un actionneur (5) est un actionneur piézoélectrique ou un actionneur électromagnétique. [Claim 2] Interface (1) according to Claim 1, characterized in that the said at least one actuator (5) is a piezoelectric actuator or an electromagnetic actuator.
[Revendication 3] Interface (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le métamatériau comprend des résonateurs (9) arrangés périodiquement. [Claim 3] Interface (1) according to Claim 1 or 2, characterized in that the metamaterial comprises resonators (9) arranged periodically.
[Revendication 4] Interface (1) selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la bande interdite du métamatériau acoustique est comprise dans un intervalle de fréquences inférieures à 500 Hz. [Claim 4] Interface (1) according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the forbidden band of the acoustic metamaterial is included in a frequency interval lower than 500 Hz.
[Revendication 5] Interface (1) selon la revendication 3, caractérisée en ce que les résonateurs (9) sont des billes en tungstène, cuivre, acier ou plomb, entourées de silicone. [Claim 5] Interface (1) according to Claim 3, characterized in that the resonators (9) are balls of tungsten, copper, steel or lead, surrounded by silicone.
[Revendication 6] Interface (1) selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la première face (3) et la deuxième face (4) forment une plaque. [Claim 6] Interface (1) according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the first face (3) and the second face (4) form a plate.
[Revendication 7] Interface (1) selon la revendication 6, caractérisée en ce que la plaque (2) est en métal, en silicium ou en verre. [Claim 7] Interface (1) according to Claim 6, characterized in that the plate (2) is made of metal, silicon or glass.
[Revendication 8] Interface (1) selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que la bande interdite du métamatériau acoustique est comprise dans un intervalle de fréquences allant de 20 kHz à 200 kHz. [Revendication 9] Interface (1) selon la revendication 3, caractérisée en ce que les résonateurs [Claim 8] Interface (1) according to Claim 6 or 7, characterized in that the forbidden band of the acoustic metamaterial is comprised in a frequency interval ranging from 20 kHz to 200 kHz. [Claim 9] Interface (1) according to Claim 3, characterized in that the resonators
(9) sont des cylindres en aluminium de section circulaire ou rectangulaire. (9) are aluminum cylinders of circular or rectangular section.
[Revendication 10] Interface (1) selon la revendication 3, caractérisée en ce que les résonateurs (9) comprennent des billes en tungstène, cuivre, acier ou plomb, montées sur un cylindre en aluminium de section circulaire ou rectangulaire. [Revendication 11] Interface (1) selon l’une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que ladite au moins une zone de confinement des ondes acoustiques (7) est une surface aux bords orthogonaux ou une surface circulaire^ j [Claim 10] Interface (1) according to claim 3, characterized in that the resonators (9) comprise balls of tungsten, copper, steel or lead, mounted on an aluminum cylinder of circular or rectangular section. [Claim 11] Interface (1) according to one of Claims 1 to 10, characterized in that the said at least one acoustic wave confinement zone (7) is a surface with orthogonal edges or a circular surface^ j
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DAUNIZEAU THOMAS ET AL: "Phononic Crystals Applied to Localised Surface Haptics", IEEE TRANSACTIONS ON HAPTICS, IEEE, USA, vol. 14, no. 3, 12 April 2021 (2021-04-12), pages 668 - 674, XP011876995, ISSN: 1939-1412, [retrieved on 20210908], DOI: 10.1109/TOH.2021.3072566 *
JIN YABIN ET AL: "Physics of surface vibrational resonances: pillared phononic crystals, metamaterials, and metasurfaces", vol. 84, no. 8, 1 August 2021 (2021-08-01), GB, pages 086502, XP055894506, ISSN: 0034-4885, Retrieved from the Internet <URL:https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6633/abdab8/pdf> DOI: 10.1088/1361-6633/abdab8 *

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