JP7675462B1

JP7675462B1 - 磁気粘弾性エラストマと磁気粘性流体を用いたハプティックアクチュエータ

Info

Publication number: JP7675462B1
Application number: JP2024003302A
Authority: JP
Inventors: ヘホ、ヨン; グォンソン、ユク; ヨンキム、サン
Original assignee: Industry University Cooperation Foundation of Korea University of Technology and Education
Current assignee: Industry University Cooperation Foundation of Korea University of Technology and Education
Priority date: 2023-12-21
Filing date: 2024-01-12
Publication date: 2025-05-13
Anticipated expiration: 2044-01-12
Also published as: JP2025100267A; US20250207654A1; KR20250097023A; EP4575725A1

Abstract

【課題】磁気粘弾性エラストマと磁気粘性流体を用いたハプティックアクチュエータを提供すること。
【解決手段】磁気粘弾性エラストマによって鉄製エラストマと磁気粘性流体を囲む形態を有し、磁気粘弾性エラストマの剛性増加および磁気粘性流体の粘性増加によって、外力に対する運動感覚フィードバックを提供することができ、交流磁場の印加の際に、形状圧縮および復元を繰り返して振動を発生させることによって、振動フィードバックを提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気粘弾性エラストマと磁気粘性流体を用いたハプティックアクチュエータに関し、より具体的には、磁気粘弾性エラストマによって鉄製エラストマと磁気粘性流体を囲む形態を有し、磁気粘弾性エラストマの剛性増加および磁気粘性流体の粘性増加によって外力に対する運動感覚フィードバックを提供することができ、交流磁場の印加の際に、形状圧縮および復元を繰り返して振動を発生させることによって、振動フィードバックを提供することができるようにする、磁気粘弾性エラストマと磁気粘性流体を用いたハプティックアクチュエータに関する。

一般に、磁気粘性流体（ＭＲ流体）は、磁場負荷時に流体の流れ抵抗が増加する効果を有する流体として、ＥＲ効果と類似する現象を見せる。磁気粘性流体は、透磁率（ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ）の低い溶媒に常磁性（ｐａｒａｍａｇｎｅｔｉｃ）粒子を分散させた流体で、磁場の無負荷時には、粒子が自由に運動するニュートン（Ｎｅｗｔｏｎｉａｎ）流体のような挙動を見せるが、磁場負荷時時には粒子が帯電されてチェーン構造を形成して、降伏応力を有するビンガム（Ｂｉｎｇｈａｍ）流体の挙動を見せる。

このような磁気粘性流体は、多様な応用装置の設計、製作、位置、および振動制御などに活用される。例えば、車両のショックアブソーバ、インパクトダンパ、エンジンマウント、車のサスペンションなどに活用されている。

一方、現在開発されたＭＲダンパの場合、価格が非常に高価で、体積が大きいため、車、鉄道或は土木／建築分野で主に活用されており、触覚履物やＶＲコントローラボタンなどにこれを活用するためには、体積および重量をダウンサイズする必要があり、現在よりも製作コストを顕著に低めて価格競争力を高める必要性があるという点で、これを満足させるための技術開発が必要な実状である。

韓国登録特許第１０－２３１１１７１号

本発明は、前記の問題点を解決するために、磁気粘弾性エラストマによって鉄製エラストマと磁気粘性流体を囲む形態を有し、磁気粘弾性エラストマの剛性増加および磁気粘性流体の粘性増加によって外力に対する運動感覚フィードバックを提供することができ、交流磁場の印加の際に、形状圧縮および復元を繰り返して振動を発生させることによって、振動フィードバックを提供することができるようにする、磁気粘弾性エラストマと磁気粘性流体を用いたハプティックアクチュエータを提供することを目的とする。

本発明の一実施形態による磁気粘弾性エラストマと磁気粘性流体を用いたハプティックアクチュエータ１００は、内側に中空部１１１が形成された磁気粘弾性エラストマハウジング１１０、前記磁気粘弾性エラストマハウジング１１０内に設けられるエラストマ１２０、および前記中空部１１１に充填された磁気粘性流体１３０を含み、外部磁場の印加の際に、前記磁気粘弾性エラストマハウジング１１０の剛性が増加され、前記磁気粘性流体１３０の粘性が増加されることによって、外力に対する抵抗力が上昇し、外部交流磁場の印加の際に、前記磁気粘弾性エラストマハウジング１１０が前記外部磁場の方向に圧縮および復元を繰り返して、振動を発生させることができる。

一実施形態において、前記磁気粘弾性エラストマハウジング１１０は、内部が中空された円柱状に対応し得る。

一実施形態において、前記磁気粘弾性エラストマハウジング１１０は、内部が中空され、履物の靴底面積に相応する大きさを有するように形成されてもよい。

一実施形態において、履物の靴底面積に相応する大きさを有する磁気粘弾性エラストマハウジング１１０の内側中空部１１０内には、前記エラストマ１２０が複数個設けられてもよい。

一実施形態において、履物の靴底全体領域において複数個で設けられた外部磁場発生装置のうち、特定外部磁場発生装置から局所的に磁場が発生される場合、該磁場が発生される領域と隣接した領域の磁気粘弾性エラストマハウジング１１０および磁気粘性流体１３０の剛性および粘性が局所的に増加されることができる。

一実施形態において、前記磁気粘弾性エラストマハウジング１１０は、履物の靴底面積に相応するように複数個設けられてもよい。

一実施形態において、前記エラストマ１２０は、上側と下側がそれぞれ前記磁気粘弾性エラストマハウジング１１０の内部上側面と下側面に接してもよい。

一実施形態において、外部磁場の印加の際に、前記磁気粘性流体１３０内の鉄粒子が前記エラストマ１２０の間で垂直方向に整列されながら、前記エラストマ１２０の圧縮を妨害することがある。

一実施形態において、外部交流磁場の印加の際に、前記磁気粘弾性エラストマハウジング１１０の一部領域が前記外部交流磁場の印加方向に圧縮され、前記外部交流磁場の印加方向が変換すると、前記磁気粘弾性エラストマハウジング１１０の形状が前記エラストマ１２０の弾性力によって元の形状に復元される過程が繰り返されてもよい。

一実施形態において、前記磁気粘弾性エラストマハウジング１１０は、外部磁場の未印加状態で、上側から下側方向へ外力が加えられる場合、下側方向に圧縮されながら高さが減少し、側面が外側へ伸びるように形状が変形されることができる。

本発明の一側面によれば、磁気粘弾性エラストマの剛性増加および磁気粘性流体の粘性増加によって、外力に対する運動感覚フィードバックを提供することができ、交流磁場の印加の際に、形状圧縮および復元を繰り返して振動を発生させることによって、振動フィードバックを提供することができるという利点を有する。

また、本発明の一側面によれば、簡便化および小型化された構造により、触覚履物やＶＲコントローラなど超小型体積適用が必要な領域に適用できることによって、製作コストを顕著に低減して、価格競争力を高めることができるという利点を有する。

本発明の一実施形態による磁気粘弾性エラストマと磁気粘性流体を用いたハプティックアクチュエータ１００の構成を示した図面である。磁気粘弾性エラストマハウジング１１０に磁場の印加の際に抵抗力が増加される概念を示した図面である。外部磁場の印加によって磁気粘弾性エラストマハウジング１１０の形状が変形される状態を示した図面である。外部交流磁場の印加によって磁気粘弾性エラストマハウジング１１０の振動が発生される状態を示した図面である。本発明に係る磁気粘弾性エラストマと磁気粘性流体を用いたハプティックアクチュエータ１００がコイルおよび強磁性体ハウジングで構成されたアクチュエータに適用された実施例を示した図面である。本発明に係る磁気粘弾性エラストマと磁気粘性流体を用いたハプティックアクチュエータ１００がＶＲコントローラのボタンに適用された実施例を示した図面である。本発明に係る磁気粘弾性エラストマと磁気粘性流体を用いたハプティックアクチュエータ１００が触覚履物底に適用された実施例を示した図面である。図１に示した磁気粘弾性エラストマハウジング１１０の代わりに電気粘弾性エラストマハウジングが適用され、磁気粘性流体１３０の代わりに電気粘性流体が適用される実施例を示した図面である。

以下、本発明の理解を助けるために、好ましい実施形態を提示する。しかしながら、下記の実施形態は本発明をより容易に理解するために提供されるだけであって、実施形態によって本発明の内容が限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施形態による磁気粘弾性エラストマと磁気粘性流体を用いたハプティックアクチュエータ１００の構成を示した図面であり、図２は、磁気粘弾性エラストマハウジング１１０に磁場の印加の際に抵抗力が増加される概念を示した図面である。

図１および図２を参照すると、本発明の一実施形態による磁気粘弾性エラストマと磁気粘性流体を用いたハプティックアクチュエータ１００は、大きく磁気粘弾性エラストマハウジング１１０、エラストマ１２０、および磁気粘性流体１３０を含んで構成される。

まず、磁気粘弾性エラストマハウジング１１０は、内側に中空部１１１が形成され、前記中空部１１１にエラストマ１２０および磁気粘性流体１３０が収容される。より具体的には、中空部１１１は、エラストマ１２０および磁気粘性流体１３０が収容されるのみ十分な空間を形成し、この際、外力によって磁気粘弾性エラストマハウジング１１０の形状が押されたり潰れるなど変形されても磁気粘弾性エラストマハウジング１１０自体がエラストマ１２０と磁気粘性流体１３０を囲んでいるので、磁気粘性流体１３０が外部に漏出されることが防止されることができる。

このような磁気粘弾性エラストマ１１０は、基本的には、内部が中空の円柱状を有してもよい。また、一実施形態においては、触覚履物の靴底形状と類似する形態に形成されてもよく、該履物の靴底面積に相応する大きさを有するように形成されてもよい。

磁気粘弾性エラストマ１１０の内部にはエラストマ１２０が上下方向に向かって設けられ、基本的には、１個が設けられるが、磁気粘弾性エラストマ１１０の形状や大きさなどによって、エラストマ１２０の個数や配置などがいくらでも変更され得る。

このような磁気粘弾性エラストマ１１０は、外部磁場、外部交流磁場が印加される場合、その形状が磁場印加方向によって変形され得、これに対しては後述する。

エラストマ１２０は、磁気粘弾性エラストマハウジング１１０内に設けられ、上下方向を向けるように配置される。エラストマ１２０は、主に鋼体（鉄製）に製作され、上側と下側がそれぞれ磁気粘弾性エラストマハウジング１１０の内部上側面と下側面に接するように設けられる。

このようなエラストマ１２０は、自主的に弾性力を有することによって、上側や下側で物理的な外力が加えられたり、磁気粘弾性エラストマハウジング１１０に外部磁場が印加されて、磁気粘弾性エラストマハウジング１１０の形状が変形される場合、それに合わせて圧縮されることができる。

エラストマ１２０の圧縮時に、エラストマ１２０は、自主的に弾性力を維持しているので、外力を加える対象が消えたり、磁気粘弾性エラストマハウジング１１０に加えられた外部磁場が消える場合、エラストマ１２０が元の状態に復元されることによって、磁気粘弾性エラストマハウジング１１０も元の形状に復元されることができる。

また、磁気粘弾性エラストマハウジング１１０の中空部１１１内でエラストマ１２０を除いた残り領域は全部磁気粘性流体１３０が充填された状態である。したがって、磁気粘性流体１３０の粘性が外部磁場によって増加される場合、磁気粘性流体１３０を構成する鉄粒子がエラストマ１２０の間で垂直方向に整列されることによって、エラストマ１２０が圧縮されず、構造的に抵抗力が増加されることができる。これに対しては後述する。

磁気粘性流体１３０は、中空部１１１内でエラストマ１２０を除いた残り領域を満たすように充填されており、外部磁場が印加される場合、粘性が増加されながら、前述したエラストマ１２０の圧縮を妨害するようになる。また、この状態で外部磁場の発生が解除される場合、磁気粘性流体１３０の粘性は、本来の粘性に復帰し、この場合、エラストマ１２０は、再び本来のように圧縮されることができる。

次に、前述した磁気粘弾性エラストマハウジング１１０および磁気粘性流体１３０が外部磁場、外部交流磁場により形状が変形されたり、磁場印加方向に圧縮および復元を繰り返して振動を発生させる状態についてより具体的に説明する。

図３は、外部磁場の印加によって磁気粘弾性エラストマハウジング１１０の形状が変形される状態を示した図面であり、図４は、外部交流磁場の印加によって磁気粘弾性エラストマハウジング１１０の振動が発生される状態を示した図面である。

まず、図３を参照すると、磁気粘弾性エラストマハウジング１１０の外部で外部磁場が印加される場合、外部磁場によって磁気粘弾性エラストマハウジング１１０の剛性が増加しながら、構造的に外力による抵抗力が増加し、これによって形状変形が抑制されることができる。

これと同時に、磁気粘弾性エラストマハウジング１１０内に充填された磁気粘性流体１３０の粘性が増加するようになる。磁気粘性流体１３０内の鉄粒子がエラストマ１２０の間間で垂直方向に整列されることによって、エラストマ１２０が圧縮されず、構造的に抵抗力が追加的に増加して、形状変形がさらに抑制されることができる。

このような点は、外部で加えられる圧力を場合によって制限するボタン（例えば、ＶＲコントローラのボタン）に適用されるか、または場合によって使用者が着用した靴の靴底に適用されて、多様な運動感覚フィードバックを提供することができる。

図４を参照すると、磁気粘弾性エラストマハウジング１１０の外部で外部交流磁場が印加される場合、外部交流磁場によって磁気粘弾性エラストマハウジング１１０の形状が外部交流磁場の印加方向に変形される。この際、内側のエラストマ１２０もこれに相応して圧縮されるが、外部交流磁場の印加方向が反対に転換される場合、エラストマ１２０の復元力によって磁気粘弾性エラストマハウジング１１０の形状が本来どおり復元される。このような過程が繰り返される場合、磁気粘弾性エラストマハウジング１１０で振動が発生されることができる。このような点は、外部で加えられる圧力を場合によって制限するボタン（例えば、ＶＲコントローラのボタン）に適用されて振動を発生させるか、または場合によって使用者が着用した靴の靴底に適用されて、足を踏む行動による振動フィードバックを提供することもできる。

以下、このような磁気粘弾性エラストマと磁気粘性流体を用いたハプティックアクチュエータ１００がコイルおよび強磁性体ハウジングで構成されたアクチュエータや、ＶＲコントローラのボタンや、触覚履物の靴底など多様な領域に適用された実施例を説明する。

図５は、本発明に係る磁気粘弾性エラストマと磁気粘性流体を用いたハプティックアクチュエータ１００がコイルおよび強磁性体ハウジングで構成されたアクチュエータに適用された実施例を示した図面であり、図６は、本発明に係る磁気粘弾性エラストマと磁気粘性流体を用いたハプティックアクチュエータ１００がＶＲコントローラのボタンに適用された実施例を示した図面であり、図７は、本発明に係る磁気粘弾性エラストマと磁気粘性流体を用いたハプティックアクチュエータ１００が触覚履物の靴底に適用された実施例を示した図面である。

図５を参照すると、コイルと強磁性体ハウジングで構成されたアクチュエータにも本発明に係る磁気粘弾性エラストマと磁気粘性流体を用いたハプティックアクチュエータ１００が適用されることができる。

この際、コイルと強磁性体ハウジングで構成されたアクチュエータは、ボタンやダンパなどに対応し得、磁場の印加の際に、図５（ｂ）のように、コイルと強磁性体ハウジングの内部全体で磁場を形成する。この際、磁気粘弾性エラストマと磁気粘性流体を用いたハプティックアクチュエータ１００内の磁気粘弾性エラストマハウジング１１０の剛性増加と磁気粘性流体１３０の粘性増加により磁気粘弾性エラストマハウジング１１０の形状変形が最大限に抑制されることができるので、高さも下がらないながらも磁気粘弾性エラストマハウジング１１０、エラストマ１２０、および磁気粘性流体１３０の抵抗力が極大化されることによって、コイルと強磁性体ハウジングで構成されたアクチュエータに強い抵抗力が加えられることができる。

また、外部交流磁場が印加される場合、外部交流磁場によって磁気粘弾性エラストマハウジング１１０の形状が外部交流磁場の印加方向に変形される。この際、内側のエラストマ１２０もこれに相応して圧縮される。外部交流磁場の印加方向が反対に転換される場合、エラストマ１２０の復元力によって磁気粘弾性エラストマハウジング１１０の形状が元どおり復元される。このような過程が繰り返される場合、コイルと強磁性体ハウジングで構成されたアクチュエータで振動が発生されることができる。

図６を参照すると、本発明に係る磁気粘弾性エラストマと磁気粘性流体を用いたハプティックアクチュエータ１００は、ＶＲコントローラのボタンにも適用されることができる。これは、普段にはボタンが自由に押されるが、磁場の印加の際に、磁気粘弾性エラストマと磁気粘性流体を用いたハプティックアクチュエータ１００内の磁気粘弾性エラストマハウジング１１０の剛性増加と磁気粘性流体１３０の粘性増加によって、磁気粘弾性エラストマハウジング１１０の形状変形が最大限に抑制され、それによって、ボタンが押されないように多様な使用者経験を提供することができる。これを活用してゲームやＶＲコンテンツなど多様な環境で選択的にボタンが押されるようにすることができる。

図７を参照すると、本発明に係る磁気粘弾性エラストマと磁気粘性流体を用いたハプティックアクチュエータ１００は、触覚履物の靴底にも適用されることができる。より具体的には、触覚履物の靴底には、コイル、電磁石、ＥＰＭなどで構成された別途の外部磁場発生装置が設けられてもよい。外部磁場発生装置は、触覚履物の靴底に複数個設けられてもよく、すべての外部磁場発生装置が一括に磁場を発生してもよく、または特定の外部磁場発生装置で局所的に磁場を発生してもよい。

この場合、外部磁場発生装置の下部には触覚履物の靴底の形状と相応する大きさおよび相応する面積に対応する磁気粘弾性エラストマハウジング１１０が設けられる。磁気粘弾性エラストマハウジング１１０の内部には複数個のエラストマ１２０が配置されることができる。この状態で特定外部磁場発生装置から局所的に磁場が発生される場合、当該磁場が発生される領域と隣接する領域の磁気粘弾性エラストマハウジング１１０および磁気粘性流体１３０の剛性および粘性が局所的に増加されることができる。

また、外部磁場発生装置によって外部交流磁場が発生される場合、該磁場が発生される領域と隣接する領域の磁気粘弾性エラストマハウジング１１０から振動が発生されることができる。これによって、仮想現実などの状況に該触覚履物が適用される場合、剛性変化や振動変化によって多様な仮想の地形を表現して、靴の着用者にこれを提供することができる。

一方、本発明の一実施形態による磁気粘弾性エラストマと磁気粘性流体を用いたハプティックアクチュエータ１００は、磁気粘弾性エラストマハウジング１１０の磁気粘弾性エラストマの代わりに電気粘弾性エラストマが適用されるか、磁気粘性流体１３０の代わりに電気粘性流体が適用されてもよい。これについて説明すれば、次の通りである。

図８は、図１に示した磁気粘弾性エラストマハウジング１１０の代わりに、電気粘弾性エラストマハウジングが適用され、磁気粘性流体１３０の代わりに電気粘性流体が適用される実施例を示した図面である。

図８を参照すると、本発明では、磁気粘弾性エラストマハウジング１１０に適用された磁気粘弾性エラストマの代わりに電気粘弾性エラストマ（ＥｌｅｃｔｒｏｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌＥｌａｓｔｏｍｅｒ、ＥＲＥ）に取り替えてもよく、磁気粘性流体１３０の代わりに電気粘性流体（ＥｌｅｃｔｒｏｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌＦｌｕｉｄ、ＥＲＦ）に取り替えてもよい。この場合、外部で磁場が印加されるのではない、電場が印加されることによって、前述した磁気粘弾性エラストマハウジング１１０および磁気粘性流体１３０と同様に剛性および粘性が増加され、それによって、鋼体のように作動することもできる。

以上、本発明の好ましい実施形態を参照して説明したが、当該技術分野における熟練された当業者は、添付の特許請求範囲に記載された本発明の思想および領域から逸脱しない範囲内で本発明を多様に修正および変更させることができる。

１００・・・磁気粘弾性エラストマと磁気粘性流体を用いたハプティックアクチュエータ
１１０・・・磁気粘弾性エラストマハウジング
１２０・・・エラストマ
１３０・・・磁気粘性流体

Claims

内側に中空部（１１１）が形成された磁気粘弾性エラストマハウジング（１１０）；
前記磁気粘弾性エラストマハウジング（１１０）内に設けられるエラストマ（１２０）；および、
前記中空部（１１１）に充填された磁気粘性流体（１３０）；
を含み、
前記エラストマ（１２０）は、
上側と下側がそれぞれ前記磁気粘弾性エラストマハウジング（１１０）の内部上側面と下側面に隣接するように構成され、
外部磁場の印加の際に、前記磁気粘性流体（１３０）内の鉄粒子が前記エラストマ（１２０）の間で垂直方向に整列されながら、前記エラストマ（１２０）の圧縮を妨害するように構成され、前記磁気粘性流体（１３０）の粘性が増加されることによって、外力に対する抵抗力が上昇し、
外部交流磁場の印加の際に、前記磁気粘弾性エラストマハウジング（１１０）が前記外部磁場の方向に圧縮および復元を繰り返して振動を発生させ、
外部交流磁場の印加の際に、前記磁気粘弾性エラストマハウジング（１１０）の一部領域が前記外部交流磁場の印加方向に圧縮され、
前記外部交流磁場の印加方向変換時に、前記磁気粘弾性エラストマハウジング（１１０）の形状が前記エラストマ（１２０）の弾性力によって元の形状に復元される過程が繰り返されるように構成される
ことを特徴とする磁気粘弾性エラストマと磁気粘性流体を用いたハプティックアクチュエータ。
前記磁気粘弾性エラストマハウジング（１１０）は、
内部が中空された円柱状である
請求項１に記載の磁気粘弾性エラストマと磁気粘性流体を用いたハプティックアクチュエータ。
前記磁気粘弾性エラストマハウジング（１１０）は、
内部が中空され、履物の靴底面積に相応する大きさを有するように形成される
請求項１に記載の磁気粘弾性エラストマと磁気粘性流体を用いたハプティックアクチュエータ。
履物の靴底面積に相応する大きさを有する磁気粘弾性エラストマハウジング（１１０）の内側中空部（１１０）内には、前記エラストマ（１２０）が複数個設けられる
請求項３に記載の磁気粘弾性エラストマと磁気粘性流体を用いたハプティックアクチュエータ。
履物の靴底全体領域で複数個に設けられた外部磁場発生装置のうち、特定の外部磁場発生装置から局所的に磁場が発生される場合、
当該磁場が発生される領域と隣接した領域の磁気粘弾性エラストマハウジング（１１０）および磁気粘性流体（１３０）の剛性および粘性が局所的に増加される
請求項４に記載の磁気粘弾性エラストマと磁気粘性流体を用いたハプティックアクチュエータ。
前記磁気粘弾性エラストマハウジング（１１０）は、
履物の靴底面積に相応するように複数個設けられる
請求項１に記載の磁気粘弾性エラストマと磁気粘性流体を用いたハプティックアクチュエータ。
前記磁気粘弾性エラストマハウジング（１１０）は、
外部磁場の未印加状態で、上側から下側方向へ外力が加えられる場合、下側方向に圧縮されながら高さが縮小し、側面が外側へ伸びるように形状が変形される
請求項１に記載の磁気粘弾性エラストマと磁気粘性流体を用いたハプティックアクチュエータ。