Brevet FR3160768A1 — publié le 20251003

L’invention concerne un système embarqué d’interaction comportant un ensemble de transducteurs ultrasonores (3) commandable par un module de contrôle (5) pour générer au moins un flux d’ondes acoustiques ultrasonores focalisé, dit impulsion acoustique ultrasonore configuré pour interagir avec au moins un dispositif destinateur (7) muni d’un module récepteur (9) sensible à ladite au moins une impulsion acoustique ultrasonore. Figure pour l’abrégé : Figure 1 SYSTEME EMBARQUÉ D’INTERACTION La présente invention concerne le domaine de transducteurs ultrasonores. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les transducteurs ultrasonores ont beaucoup d’applications dans l’industrie et le domaine médicale. On peut les utiliser pour le repère d’obstacles, la détection de défauts, ou la stérilisation dans l’industrie pharmaceutique. Les transducteurs ultrasonores sont utilisés aussi en médecine dans le diagnostic et le traitement de différentes affections. On connaît aussi dans l’art antérieur des systèmes comportant des transducteurs ultrasonores permettant de créer un flux d'ultrasons focalisé en un point qui procure une sensation de touché à une personne. Un tel système dit système haptique comporte un ensemble de transducteurs ultrasonores commandables individuellement pour générer des impulsions ultrasonores. Un circuit de contrôle commande les transducteurs en émission avec des déphasages entre les différents transducteurs de manière à focaliser les ondes émises en un point de focalisation donné. Ceci permet de générer, au voisinage du point de focalisation, une pression suffisamment forte pour être ressentie par une personne. L’objet de la présente invention est d’utiliser les transducteurs ultrasonores de manière ingénieuse pour créer de nouvelles applications industrielles. Cet objectif est atteint avec un système embarqué d’interaction comportant un ensemble de transducteurs ultrasonores commandable par un module de contrôle pour générer au moins un flux d’ondes acoustiques ultrasonores focalisé, dit impulsion acoustique ultrasonore configuré pour interagir avec au moins un dispositif destinateur muni d’un module récepteur sensible à ladite au moins une impulsion acoustique ultrasonore. Ceci permet de réaliser une interaction (transfert de données ou action à distance) entre un appareil intégrant le système embarqué et un dispositif destinataire en toute sécurité car l’interaction ne peut se faire que dans une cône d’émission de volume donné, où se propage les ondes acoustiques ultrasonores. Selon un mode de réalisation, le système embarqué d’interaction est configuré pour générer une série d’impulsions acoustiques ultrasonores porteuse d’une information. Ceci permet de transférer ou communiquer des données (par exemple à l’instar du morse) vers un dispositif fixe ou mobile en toute sécurité. Selon un mode de réalisation, ladite au moins une impulsion acoustique ultrasonore est porteuse d’une pression directionnelle adaptée pour actionner une fonction prédéterminée dans le dispositif récepteur. Ceci permet de réaliser une action intelligente à distance en toute sécurité, comme une actuation d’une (ou de plusieurs) membrane acoustique, d’un bouton poussoir ou tout capteur sensible à une pression acoustique émise par le système embarqué. Avantageusement, le système embarqué d’interaction est destiné à être embarqué dans un appareil mobile ou fixe parmi les appareils suivants : véhicule, aéronef, machine, dispositif de télécommande. Selon encore un autre mode de réalisation, le système embarqué d’interaction est destiné à être embarqué dans un ensemble d’appareils pour générer un ensemble d’interactions élémentaires dont la combinaison est nécessaire pour créer une interaction spécifique avec le dispositif destinataire. Selon un aspect d’un mode de réalisation, l’ensemble d’appareils est porteur d’un ensemble de blocs de données dont la concaténation est nécessaire à la reconstitution d’une information sécurisée et que chacun dudit ensemble d’appareils est configuré pour transférer le bloc de données qu’il porte au dispositif destinataire qui est configuré pour reconstituer l’information sécurisée à partir de l’ensemble de blocs de données. Le dispositif destinataire reçoit les blocs de données de manière séquencée pour que l’information globale soit lue. Ceci permet de décrypter un ensemble de données dont chacune des sous parties peuvent être amenées par différents appareils embarquant des systèmes embarqués, qui une fois assemblés, constituent l’ensemble de l’information. Selon un autre aspect d’un mode de réalisation, l’ensemble d’appareils est porteur d’un ensemble de pressions directionnelles élémentaires dont la concaténation est nécessaire à la reconstitution d’une action spécifique et que chacun dudit ensemble d’appareils est configuré pour transférer la pression directionnelle élémentaire qu’il porte au dispositif destinataire. Avantageusement, le système embarqué d’interaction est destiné à générer des impulsions acoustiques ultrasonores configurées pour interagir avec plusieurs dispositifs destinataires. Avantageusement, les transducteurs ultrasonores sont des transducteurs piézoélectriques de type PMUT arrangés en un ensemble de matrices et sous-matrices. Avantageusement, le module de contrôle est configuré pour commander l’émission d’impulsions ultrasonores des sous-matrices avec des déphasages entre les différentes sous-matrices de façon à focaliser les ondes émises en un point donné de l’espace. Le pilotage de sous matrices diminue le routage technologique et donc optimise l’intégration surfacique. Cela permet de générer une forte pression acoustique à partir d’une plus petite surface. Selon un aspect, chaque transducteur ultrasonore comprend une membrane flexible suspendue sur un support rigide et un élément de conversion piézoélectrique fixé sur la membrane flexible. L’invention concerne également un dispositif destinataire comportant un module récepteur configuré pour capter ladite au moins une impulsion acoustique ultrasonore émise par le système embarqué d’interaction selon l’une quelconque des caractéristiques ci-dessus. Le dispositif destinataire peut être compris dans un appareil mobile ou fixe. Avantageusement, le dispositif destinataire comporte un système embarqué d’interaction. L’invention vise aussi un appareil mobile ou fixe comportant un système embarqué d’interaction selon l’une quelconque des caractéristiques ci-dessus. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d’exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : La FIG. 1 illustre de manière schématique un système embarqué d’interaction, selon un mode de réalisation de l’invention ; La FIG. 2 illustre de manière schématique un transducteur ultrasonore de l’interface haptique de la FIG. 1 ; La FIG. 3 illustre, une courbe de pression en Pa en fonction de la distance en cm pour un transducteur PMUT en silicium ; La FIG. 4 illustre de manière schématique la commande des transducteurs ultrasonores par le module de contrôle ; La FIG. 5 illustre de manière schématique un système embarqué d’interaction, selon des premier et deuxième modes de réalisation préférés de l’invention ; et La FIG. 6 illustre de manière schématique une application particulière du système embarqué d’interaction, selon un mode de réalisation de l’invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE L’INVENTION Le concept à la base de l’invention est de proposer un système embarqué comportant des transducteurs ultrasonores pour transmettre des données ou actionner une fonction spécifique à distance et de manière sécurisée. La FIG. 1 illustre de manière schématique un système embarqué d’interaction, selon un mode de réalisation de l’invention. Le système embarqué d’interaction est adapté pour être embarqué dans un appareil 2 mobile ou fixe de type véhicule, aéronef, drone, machine, dispositif de télécommande, etc. Conformément à l’invention, le système embarqué d’interaction 1 comporte un ensemble de transducteurs ultrasonores 3 qui sont avantageusement arrangés en un ensemble de matrices ou sous-matrices 4. L’ensemble de transducteurs ultrasonores 3 est commandable par un module de contrôle 5 pour générer au moins un flux focalisé d’ondes acoustiques ultrasonores, dit impulsion acoustique ultrasonore. La fréquence d’impulsions ultrasonores peut être comprise entre 20 kHz et 10 THz. Chaque impulsion acoustique ultrasonore est configurée pour interagir avec au moins un dispositif destinateur 7 muni d’un module récepteur 9 sensible à l’impulsion acoustique ultrasonore émise par le système embarqué d’interaction 1. Le module récepteur 9 comporte des capteurs 11 qui transforment l’impulsion acoustique en signal électrique. Ces capteurs 11 peuvent également être des transducteurs acoustiques. Le dispositif destinateur 7 peut être un appareil mobile ou fixe qui peut également comporter un système embarqué d’interaction. Par ‘interaction’ entre le système embarqué d’interaction 1 et le module récepteur 9, on entend une action mécanique à distance, un transfert de données ou un lien de communication. Cette interaction entre un appareil 2 intégrant le système embarqué d’interaction 1 et le dispositif destinateur 7 ne peut se faire que dans un cône d’émission 13 de volume donné, où se propage les ondes acoustiques ultrasonores. Ainsi, l’interaction est inviolable en dehors de cette cône d’émission 13 qui est très limitée dans l’espace. Ceci permet de réaliser l’interaction en toute sécurité. Selon un aspect de mode de réalisation, le système embarqué d’interaction 1 peut être embarqué dans un ensemble d’appareils 2 mobiles pour générer un ensemble d’interactions élémentaires dont la combinaison est nécessaire pour créer une interaction spécifique avec le dispositif destinateur 7. Ceci apporte davantage de sécurité à l’action réalisée sur le dispositif récepteur 7. Par ailleurs, le module de contrôle 5 est un circuit électronique intégré dans le système embarqué d’interaction 1. En variante, le module de contrôle 5 peut être une application logicielle ou un circuit compris dans l’appareil 2 intégrant le système embarqué d’interaction 1. En outre, le système embarqué d’interaction 1 comporte une source d’alimentation 15 destinée à fournir une tension aux transducteurs ultrasonores 3 et éventuellement, au module de contrôle 5 lorsque ce dernier est également compris dans le système embarqué d’interaction 1. En variante, la source d’alimentation 15 peut être comprise dans l’appareil 2 intégrant le système embarqué d’interaction 1. On notera que pour certaines applications, le module de contrôle 5 peut même être intégré dans un dispositif extérieur en lien avec le système embarqué d’interaction 1. Selon un aspect d’un mode de réalisation, les transducteurs ultrasonores 3 sont des transducteurs piézoélectriques ultrasonores micro-usinés, dit PMUT (Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers). Les transducteurs PMUT peuvent être en céramique ou en silicium. D’autres types de transducteurs peuvent être utilisés. La FIG. 2 illustre de manière schématique un transducteur ultrasonore utilisé dans le système embarqué d’interaction de la FIG. 1 . Cet exemple concerne un transducteur PMUT 3 comprenant une membrane flexible 15 suspendue par sa périphérie sur un support rigide 17. Le support rigide 17 est par exemple en silicium ou en céramique. La membrane 15 est fixée, par sa face inférieure, sur la face supérieure du support 17. La membrane 15 peut avoir une forme circulaire, rectangulaire, ou carrée. Le transducteur PMUT 3 comprend en outre un élément de conversion piézoélectrique 19 fixé sur la membrane, du côté de sa face supérieure. L’élément de conversion piézoélectrique comprend deux électrodes 21a, 21b. L’application d’une tension entre les électrodes 21a, 21b de l’élément de conversion piézoélectrique 19 provoque une déformation de la membrane 15 permettant de générer une onde acoustique ultrasonore. A l’inverse, une déformation de la membrane 15 génère une tension qui peut être utilisée pour mesurer une onde acoustique ultrasonore reçue par le transducteur PMUT 3. Ce genre de transducteurs est décrit en détail dans la demande de brevet FR3092680 de la demanderesse. Un transducteur PMUT 3 peut fonctionner selon différentes fréquences ultrasonores en fonction de sa taille ou de la technologie utilisée (silicium, céramique ou autre). A titre d’exemple non limitatif, on considère ici le cas d’un transducteur PMUT de type silicium, fonctionnant à 100kHz. En effet, la FIG. 3 illustre, la courbe de la pression en Pa en fonction de la distance en cm pour un transducteur PMUT en silicium. Plus particulièrement, cette courbe est issue des mesures réalisées pour un transducteur PMUT 3 unitaire à 100kHz fonctionnant sous une tension de pilotage de 5V. Par exemple, la courbe montre que le transducteur PMUT 3 génère une pression acoustique de l’ordre de 0.15 Pa à une distance de 30 cm. On notera que la pression acoustique augmente quasi-linéairement avec l’augmentation de la tension. Ainsi, pour une tension de pilotage de 48 V, le transducteur PMUT 3 génère une pression acoustique de l’ordre de 1.45 Pa à une distance de 30 cm. En outre, les pressions s’ajoutent quasi-linéairement. Ainsi, en utilisant par exemple, 140 transducteurs PMUT, on peut obtenir une pression de l’ordre de 200 Pa à 30 cm. Une pression de 200 Pa est prise ici juste à titre indicatif sachant que c’est la pression qui produit un effet haptique. Bien entendu, le module de réception 9 peut être sensible à une pression plus petite que 200 Pa. Le diamètre d’un transducteur PMUT circulaire est de l’ordre de 800 µm pour un transducteur de type silicium et est de l’ordre de 5 mm pour un transducteur de type céramique. On notera que le diamètre dépend de la raideur de la membrane 15, liée à son épaisseur et ses matériaux constitutifs. Les diamètres considérés ci-dessus sont indicatifs et pris en guise d’exemple dans le dimensionnement d’une matrice ou sous-matrice 4 de transducteurs PMUT 3. Ainsi, en utilisant des transducteurs PMUT de type silicium et pour un écart de l’ordre de 300 µm entre les membranes 15 des transducteurs 3 voisins, on peut construire une matrice 4 de transducteurs 3 de l’ordre de 1.5 x 1.5 cm 2 générant une pression de 200 Pa à une distance de 30 cm. On notera que l’écart de 300 µm entre membranes est un écart indicatif qui est suffisant pour permettre une solidité de la matrice 4 tout en gardant les membranes proches les unes des autres. Les dimensions des matrices et/ou sous-matrices 4 de transducteurs 3 peuvent être déterminées selon les fréquences d’émission des transducteurs PMUT, de la technologie utilisée (silicium ou céramique), de la tension de pilotage de ceux-ci, et de la sensibilité des modules récepteurs 9. Le tableau ci-dessous indique le dimensionnement de quelques configurations. La première colonne indique la technologie utilisée (silicium ou céramique), la deuxième colonne indique la surface d’une matrice de transducteurs, la troisième colonne indique la tension de pilotage, la quatrième colonne indique la distance pour une pression de 200 Pa, les cinquième et sixième colonnes indiquent les pressions exercées à 30 cm et 50 cm respectivement, la septième colonne indique le nombre de transducteurs formant la matrice, et la huitième colonne indique le diamètre de chaque transducteur. Ainsi, selon l’application souhaitée, on peut avoir une matrice de faible dimension, légère, et de faible tension de pilotage qui est très adaptée pour un système embarqué 1. La matrice 4 de transducteurs peut être dimensionnée pour avoir une action entre quelques centimètres à plusieurs mètres en fonction de la tension de pilotage et de la sensibilité du module récepteur 9. La FIG. 4 illustre de manière schématique la commande des transducteurs ultrasonores par le module de contrôle. Le module de contrôle 5 est configuré pour commander les sous-matrices 4 de transducteurs 3 avec des déphasages entre les différentes sous-matrices 4 de manière à focaliser le flux d’ondes acoustiques émises en un point de focalisation 23 selon une distance prédéterminée. Cette distance peut par exemple être comprise entre 1 cm et 300 cm. Ceci permet de générer, au voisinage du point de focalisation, une pression suffisamment forte pour être captée par le module récepteur 9. Par ailleurs, la source d’alimentation 15 est configurée pour fournir aux transducteurs 3 une tension de pilotage pouvant être comprise entre 5V et 50V. Avantageusement, on utilise une piste de pilotage pour chaque sous-matrice 4. Ainsi, chaque piste de pilotage regroupe une pluralité de transducteurs 3 ce qui diminue le routage technologique et optimise l’intégration surfacique tout en permettant la réalisation de la technique de formation de faisceaux ‘beamforming’ acoustiques. Ainsi, le système embarqué d’interaction 1 peut générer une forte pression acoustique (de l’ordre de 200 Pa) tout en présentant une forte intégration surfacique (de quelques mm2 à quelques cm2) de transducteurs 3 et une longue portée (de quelques centimètres à plusieurs mètres). La FIG. 5 illustre de manière schématique un système embarqué d’interaction, selon des premier et deuxième modes de réalisation préférés de l’invention. L’exemple de la FIG. 5 montre un appareil 2 (par exemple, un objet mobile) intégrant un système embarqué d’interaction 1. Selon le premier mode de réalisation, le système embarqué d’interaction 1 est configuré pour générer une série d’impulsions acoustiques ultrasonores porteuse d’une information destinée à être transmise à un dispositif destinateur 7. La série d’impulsions acoustiques ultrasonores comporte des impulsions configurées selon un code prédéterminé par exemple à l’instar du morse, compréhensible par le dispositif destinateur 7. Plus particulièrement, le module de contrôle 5 en association avec une mémoire 25 stockant l’information et le codage d’impulsions acoustiques, transforme les données numériques en signaux électriques et commande en conséquence les sous-matrices 4 de transducteurs ultrasonores 3 selon la description en relation avec la FIG. 4 . La mémoire 25 peut être comprise dans le module de contrôle 5, dans le système embarqué d’interaction 1 ou dans l’appareil 2 embarquant ce système 1. A la réception de la série d’impulsions acoustiques ultrasonores, le module récepteur 9 du dispositif destinateur 7 transforme ces impulsions en signaux électriques. Ces signaux sont ensuite, traités et retransformés en données numériques par un circuit de traitement électronique 27 intégré dans le dispositif destinateur 7. Ainsi, des données peuvent être transmises en toute sécurité à travers un cône d’émission 13 limitée depuis l’appareil 2 intégrant le système embarqué d’interaction 1 vers le dispositif destinateur 7. En outre, le dispositif destinateur 7 peut également comporter un système embarqué d’interaction 1 permettant à ce dernier de transmettre aussi des données à l’appareil 2 générant ainsi un dialogue entre eux. Selon un aspect particulier de ce premier mode de réalisation, le système embarqué d’interaction 1 est destiné à être embarqué dans un ensemble d’appareils 2 transportant un ensemble de blocs de données dont la concaténation est nécessaire à la reconstitution d’une information sécurisée. Dans ce cas, chacun de l’ensemble d’appareils 2 est configuré pour transférer le bloc de données qu’il transporte au dispositif destinateur 7. Ce dernier est configuré pour reconstituer l’information sécurisée à partir de l’ensemble de blocs de données. Cette application permet de réaliser un cryptage de données. Selon le deuxième mode de réalisation de la FIG. 5 , le système embarqué d’interaction 1 est configuré pour générer une impulsion acoustique ultrasonore porteuse d’une pression directionnelle (ou force pressante) adaptée pour activer une fonction prédéterminée dans le dispositif destinateur 7. Par exemple, la pression directionnelle peut réaliser une action mécanique sécurisée et à distance sur un bouton poussoir, ou une membrane acoustique du module récepteur 9, qui active une fonction spécifique du dispositif destinateur 7. Avantageusement, le module de contrôle 5 est configuré pour commander les sous-matrices 4 de transducteurs 3 de manière à focaliser les flux d’ondes acoustiques émises selon des angles d’émission déterminés pour créer des axes préférentiels à l’émission des impulsions ultrasonores. Selon une application particulière de ce mode de réalisation, le système embarqué d’interaction 1 peut être intégré dans un appareil 2 mobile autonome pour aller dans une zone difficile d’accès pour un humain, afin d’actionner ou d’activer une certaine fonction. Selon un autre aspect particulier, le système embarqué d’interaction 1 est destiné à générer des impulsions acoustiques ultrasonores configurés pour interagir avec plusieurs dispositifs récepteurs 7. Par ailleurs, comme précédemment, le système embarqué d’interaction 1 peut être destiné à être embarqué dans un ensemble d’appareils 2 porteurs d’un ensemble de pressions directionnelles élémentaires dont la concaténation séquentielle est nécessaire à la reconstitution d’une action spécifique. Dans ce cas, chacun de l’ensemble d’appareils 2 est configuré pour transférer la pression directionnelle élémentaire qu’il porte au dispositif destinateur 7 réalisant ainsi, un cryptage d’actions. La FIG. 6 illustre de manière schématique une application particulière du système embarqué d’interaction, selon un mode de réalisation de l’invention. Selon cet exemple, l’appareil mobile 2 est une voiture et le dispositif destinataire 7 est un mécanisme d’ouverture d’une porte de garage. Le système embarqué d’interaction 1 est intégré par exemple dans le pare choc de la voiture 2 et le module récepteur 9 est intégré dans le mécanisme d’ouverture 7 de la porte de garage. Ainsi, le mécanisme d’ouverture 7 est destiné à actionner l’ouverture de la porte de garage par une émission d’une impulsion acoustique ultrasonore depuis la voiture 2. Cette action est sans contact et la nature de l’impulsion acoustique ultrasonore est prédéterminée de manière spécifique au couplage des deux éléments : voiture/porte. Système embarqué d’interaction, caractérisé en ce qu’il comporte un ensemble de transducteurs ultrasonores (3) commandable par un module de contrôle (5) pour générer au moins un flux d’ondes acoustiques ultrasonores focalisé, dit impulsion acoustique ultrasonore configuré pour interagir avec au moins un dispositif destinateur (7) muni d’un module récepteur (9) sensible à ladite au moins une impulsion acoustique ultrasonore. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système embarqué d’interaction (1) est configuré pour générer une série d’impulsions acoustiques ultrasonores porteuse d’une information. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite au moins une impulsion acoustique ultrasonore est porteuse d’une pression directionnelle adaptée pour actionner une fonction prédéterminée dans le dispositif récepteur (7). Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système embarqué d’interaction (1) est destiné à être embarqué dans un appareil (2) mobile ou fixe parmi les appareils suivants : véhicule, drone, aéronef, machine, dispositif de télécommande. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système embarqué d’interaction (1) est destiné à être embarqué dans un ensemble d’appareils (2) pour générer un ensemble d’interactions élémentaires dont la combinaison est nécessaire pour créer une interaction spécifique avec le dispositif destinataire (7). 6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que l’ensemble d’appareils (2) est porteur d’un ensemble de blocs de données dont la concaténation est nécessaire à la reconstitution d’une information sécurisée et en ce que chacun dudit ensemble d’appareils (2) est configuré pour transférer le bloc de données qu’il porte au dispositif destinataire (7) qui est configuré pour reconstituer l’information sécurisée à partir de l’ensemble de blocs de données. 7. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que l’ensemble d’appareils (2) est porteur d’un ensemble de pressions directionnelles élémentaires dont la concaténation est nécessaire à la reconstitution d’une action spécifique et en ce que chacun dudit ensemble d’appareils est configuré pour transférer la pression directionnelle élémentaire qu’il porte au dispositif destinataire (7). 8. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système embarqué d’interaction (1) est destiné à générer des impulsions acoustiques ultrasonores configurés pour interagir avec plusieurs dispositifs destinataire (7). 9. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les transducteurs ultrasonores (3) sont des transducteurs piézoélectriques de type PMUT arrangés en un ensemble de matrices et sous-matrices (4). 10. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce que le module de contrôle (5) est configuré pour commander l’émission d’impulsions ultrasonores des sous-matrices (4) avec des déphasages entre les différentes sous-matrices (4) de façon à focaliser les ondes émises en un point donné de l’espace. 11. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque transducteur ultrasonore (3) comprend une membrane (15) flexible suspendue sur un support rigide (17) et un élément de conversion piézoélectrique (19) fixé sur la membrane flexible. 12. Dispositif destinataire comportant un module récepteur configuré pour capter ladite au moins une impulsion acoustique ultrasonore émise par le système embarqué d’interaction (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 11. 13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce qu’il est compris dans un appareil mobile ou fixe. 14. Dispositif selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce qu’il comporte un système embarqué d’interaction. 15. Appareil mobile ou fixe caractérisé en ce qu’il comporte un système embarqué d’interaction (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 11.