KR100896812B1

KR100896812B1 - 자력을 이용한 햅틱 모듈 및 이를 채용하는 전자장치

Info

Publication number: KR100896812B1
Application number: KR1020070114621A
Authority: KR
Inventors: 권동수; 육남수; 양태헌
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2007-11-12
Filing date: 2007-11-12
Publication date: 2009-05-11
Also published as: US20090121848A1; EP2060965A1; JP4663771B2; JP2009123688A; US7924145B2

Abstract

본 발명은 자력을 이용한 햅틱 모듈 및 이를 채용한 전자장치에 관한 것이다.

본 발명이 개시하는 햅틱 모듈은, 인접한 자석의 극성이 교번되도록 배열된 자석배열 프레임과, 자석배열 프레임의 프레임 요소 각각의 상부에 위치하고 상기 프레임 요소의 어느 하나의 극성을 차폐하도록 윈도우 배열을 형성한 차폐 스크린과, 차폐 스크린의 외측부에 고정되어 프레임 요소의 길이방향으로 차폐 스크린을 이동시키는 선형 이동수단과, 차폐 스크린을 매개한 상태로 자석배열 프레임 상부에 위치하고 일면 전체에 동일 극성을 띠는 자석 프레임과, 그리고 선형 이동수단을 제어하는 제어부로 구성된다.

본 발명의 햅틱 모듈에 따르면, 다양하고 역동적인 반력 및 촉감을 사용자에게 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 종래에 비해 구성의 복잡도를 줄일 수 있고 나아가 소형화를 도모할 수 있다.

햅틱, 촉감, 반력, 자력, 차폐, 스크린

Description

자력을 이용한 햅틱 모듈 및 이를 채용하는 전자장치{HAPTIC MODULE USING MAGNETIC FORCE, ELECTRONIC APPARATUSES HAVING THE MODULE}

본 발명은 반력 및 촉감을 사용자에게 피드백하는 햅틱 기술에 관한 것으로, 보다 상세히는 자력의 조절을 통해 사용자가 터치 패널(예: 터치 윈도우)에 인가하는 힘에 대향하여 반력 및 촉감을 제공하는 햅틱 모듈 및 이를 채용하는 전자장치에 관한 것이다.

햅틱 인터페이스(haptic interface)는 광의로는 가상환경과 촉각적 상호작용을 구현하는 시스템 전체를 일컫기도 하지만, 협의로는 사람에게 촉감을 전달하기 위한 물리적 장치(device)를 말하며, 통상적으로 햅틱 장치(haptic device)로 지칭되기도 한다.

정보전달을 위해서는 사람과 미디어 사이에 전달 매개체가 필요하며, 이들을 인터페이스라는 용어로 정의될 수 있다. 미디어와 인터페이스는 불가분의 관계에 있으며, 인터페이스는 인간의 오감에 의존하는 형태를 가질 수밖에 없다. 최근 공학 기술의 발전에 힘입어 시청각에만 의존하던 인터페이스 관련기술이 후각, 촉각을 활용하는 기술로 진화를 거듭하고 있다. 즉, 햅틱 장치는 촉감이라는 미디어를 위한 장치로서 주목을 받고 있다.

알려진 바와 같이, 햅틱 장치는 근육 또는 관절 등에 물리적인 힘을 전달해 주는 반력 제시 장치(force feedback device)와, 진동을 비롯하여 압력, 온도, 질감, 통증과 같은 피부 자극을 전달하는 촉감 장치(tactile device)로 분류되고 있다.

촉감 장치는 상기한 바와 같이 피부 자극을 통해 사용자에게 실체 물체의 질감과 같은 사실적인 힘을 구현하는 촉감 기술(tactile technology)을 갖추는 것이 관건이다.

촉감 장치의 일례로서, 미국 특허출원공개 제2006/00125678A1호(이하, '678호'라 한다)에 개시되어 있다. 위 678호에 개시된 터치 디스플레이 장치는 터치 플레이트(touch plate)와, 터치 플레이트에 작동할 수 있도록 장착된 자성을 띤 복수개의 촉감 변경 구성요소(tactile sensation modification component)들과, 복수개의 코일(coil)들로 이루어져 있다. 촉감 변경 구성요소들은 코일에 인가되는 전류에 방향에 따라 진동되고, 터치플레이트의 진동에 의하여 사용자의 손 또는 손가락이 자극된다. 이에 따라 사용자는 스크린에 표시되는 물체의 촉감을 느낄 수 있다.

그러나, 상술한 678호는 구성요소가 복잡할뿐더러 코일과 블레이드의 하면에 장착되는 전자기 장치의 점유 면적이 넓기 때문에 소형화의 한계가 있다. 더욱이 촉감 기능만을 구현하고 있으므로 반력에 의한 보다 역동적인 느낌을 사용자에게 제공할 수 없다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 촉감 및 반력을 역동적으로 제공할 수 있는 햅틱 모듈 및 이를 채용하는 전자장치를 제시한다.

또한, 본 발명은 종래에 비해 구성의 복잡도를 줄이고, 소형화를 이룰 수 있는 햅틱 모듈 및 이를 채용하는 전자장치를 장치를 제공한다.

본 발명의 일 관점에 따른 햅틱 모듈은, 인접한 자석의 극성이 교번되도록 배열된 자석배열 프레임과, 자석배열 프레임의 프레임 요소 각각의 상부에 위치하고 프레임 요소의 어느 하나의 극성을 차폐하도록 윈도우 배열을 형성한 차폐 스크린과, 차폐 스크린의 외측부에 고정되어 프레임 요소의 길이방향으로 차폐 스크린을 이동시키는 선형 이동수단과, 차폐 스크린을 매개한 상태로 자석배열 프레임 상부에 위치하고 일면 전체에 동일 극성을 띠는 자석 프레임과, 선형 이동수단을 제어하는 제어부를 포함한다.

본 발명의 선형 이동수단은, 고정자와, 고정자 일면에 수직하게 고정된 고정막대와, 고정막대를 따라 이동하며 외주면에 차폐 스크린의 측부를 삽입·고정하는 이동자를 구성하는 것이 바람직하다.

일 관점의 특징에 따른 제어부는, 선형 이동수단을 통해 차폐 스크린의 이동거리를 윈도우의 크기로 제한한다. 또한 제어부는, 프레임 요소가 N극 및 S극을 동시에 띠도록 선형 이동수단을 제어하여 차폐 스크린을 이동시킬 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 다양하고 역동적인 반력 및 촉감을 사용자에게 제공할 수 있다. 또한, 종래에 비해 구성의 복잡도를 줄일 수 있고, 나아가 소형화를 도모할 수 있다.

본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 자력을 이용한 햅틱 모듈에 대한 개략적 구성도이다. 도시된 바와 같이 햅틱 모듈(100)은, 크게 자석배열 프레임(110)과, 자석배열 프레임의 각 요소의 상부에서 길이방향으로 이동하는 차폐 스크린(120a, 120b, 120c, 120d)과, 차폐 스크린을 이동시키는 선형 이동수단(130a, 130b, 130c, 130d)과, 차폐 스크린을 매개로(사이에 끼고) 자석배열 프레임 상부에 위치하는 자석 프레임(140)과, 선형 이동수단의 이동을 제어하는 미도시된 제어부(150)를 구비한다.

구체적으로, 자석배열 프레임(110)은 도 2에 도시된 바와 같이, 4개의 프레임 요소(110a, 110b, 110c, 110d)로 이루어져 있다. 자석배열 프레임(110)은 N극과 S극의 자석을 프레임 전체에 대해 교번·배치하고 있다. 본 실시형태에서는 도 2와 같이 하나의 N극과 하나의 S극으로 구성된 자석 요소(10)를 상정한다. 즉, 자석배 열 프레임(110)은 복수개의 자석 요소(10)를 배열하되, 인접한 자석 요소는 극성(polar)이 반전되도록 배열된다. 이러한 배열 형태는 자석배열 프레임(110)의 네 우각에서도 동일하게 적용된다.

도 3을 참조하면, 차폐 스크린(120a, 120b, 120c, 120d)은 앞서 언급한 바와 같이 자석배열 프레임(110)의 각 요소(110a, 110b, 110c, 110d) 상부에 위치하여 프레임 요소의 길이방향으로의 이동을 통해 자석 요소의 어느 하나의 극성을 차폐한다. 이러한 차폐를 위해 차폐 스크린은 다수의 개방된 윈도우(window)로 이루어진 배열(122)(이하, '윈도우 배열')을 형성하고 있다. 차폐 동작에 대한 보다 상세한 설명은 후술키로 한다.

상기 '길이방향으로의 이동'은 차폐 스크린 각각의 외측부에 고정된 선형 이동수단(130a, 130b, 130c, 130d)에 의해 달성된다. 선형 이동수단은 기계적 구성으로 구현할 수 있다. 본 실시형태에서는 본 발명자가 선형 이동수단에 가장 적합하다고 생각한 예로서, '리니어 액츄에이터(linear actuator)'를 제시한다.

첨부도면 도 4는 '리니어 액츄에이터'로 설정된 선형 이동수단을 나타내고 있다. 구체적으로 선형 이동수단은 고정자(132)와, 이 고정자 일면의 중심에 수직하게 고정된 고정막대(134)와, 이 고정막대를 중앙에 삽입하여 고정막대를 따라 이동하는 원통형의 이동자(136)를 구성한다. 이동자(136)의 외주면에는 차폐 스크린의 측부를 삽입·고정하는 홈(36)이 형성되어 있다. 상술한 구성의 선형 이동수단은 차폐 스크린을 프레임 요소의 길이방향에 대해 선형으로 이동시킬 수 있는 것이다(도 5 참조). 참고적으로 차폐 스크린의 이동거리는 윈도우의 크기(도 3의 미설 명 부호 'd')로 제한되는 것이 바람직하다.

한편, 선형 이동수단에 의해 구동되는 차폐 스크린의 이동거리에 따라 자석 요소들의 극성을 선택적으로 차폐할 수 있다. 이러한 동작은 스크린(screen) 동작으로 표현될 수 있는데, 도 6과 같이 N극을 차폐한 경우[A], S극을 차폐한 경우[B], 그리고 N극과 S극의 일부만을 차폐한 경우[C]의 동작으로 구분될 수 있다. 즉, 차폐 스크린은 자석배열 프레임(110)의 프레임 요소별로 극성을 선택적으로 유연하게 차폐할 수 있는 것이다.

도 7은 본 실시형태의 자석 프레임(140)을 나타내고 있다. 자석 프레임(140)은 앞서 살펴본 도 1과 같이 차폐 스크린을 매개로 자석배열 프레임 상부에 배치된다. 이 자석 프레임(140)은 상기한 자석배열 프레임(110a, 110b, 110c, 110d)과 유사하게 명명되고 있으나, 자석 요소에 의한 극성이 교번되는 것이 아니라 일면 전체가 동일한 극성을 갖도록 구성되어 있다. 즉, 일면이 S극이면 타면은 N극이 되는 것이다.

도 8에 도시된 터치 패널(P)은 본 실시형태에 따른 햅틱 모듈(100)을 채용하는 전자장치, 예컨대 핸드폰, 휴대용 게임기, PDA 등에 포함되는 구성요소이다. 이 터치 패널(P)은 상기한 자석 프레임(140) 상부에 고정되어, 자석배열 프레임의 자력에 의해 자유롭고 다양하게 부유(floating)하게 된다. 본 실시형태의 터치 패널(P)은 터치 윈도우(touch window) 또는 다수의 물리적 버튼형 패널로 이해될 수 있다.

한편, 제어부(150)는 차폐 스크린(120a, 120b, 120c, 120d)의 이동을 제어한 다. 구체적으로 첨부도면 도 9를 살펴보면, 앞서 언급한 각 차폐 스크린에 마련된 선형 이동수단(130a, 130b, 130c, 130d)을 구동시킴으로써 차폐 스크린의 선형 이동을 제어한다.

이하, 제어부(150)의 제어에 따라 본 발명이 목적으로 하는 반력 및 촉감이 어떠한 양태로 사용자에게 제공되는지 살펴본다. 설명에 앞서, 터치 패널(150)에 부착된 자석 프레임(140)의 하부면은 N극을 띠고 있는 것으로 상정한다.

먼저, 도 10과 같이 제어부(150)가 선형 이동수단(130a, 130b, 130c, 130d)들을 구동하여, 4개의 차폐 스크린이 자석배열 프레임(110)의 프레임 요소(110a, 110b, 110c, 110d) 모두가 N극을 띠도록 차폐하면, N극을 띤 자석 프레임(140)을 상부로 밀어 올리게 된다. 반면에, 제어부(150)가 선형 이동수단들을 구동하여 프레임 요소 모두가 S극을 띠도록 차폐하면, 도 11과 같이 N극을 띤 자석 프레임(140)을 하부로 끌어당기게 된다. 즉, 제어부(150)가 도 10 및 도 11의 상태로 반복적으로 제어하면, 터치 패드(P)를 조작하는 사용자에게 수직방향의 진동 혹은 물리적 버튼을 누르는 느낌을 제공할 수 있게 된다.

한편, 제어부(150)가 자석배열 프레임(110)의 어느 하나의 프레임 요소가 S극을 띠도록 선형 이동수단을 구동하면, 자석 프레임(140)은 상기 어느 하나의 프레임 요소를 향해 기울어지게 된다. 예를 들어, 도 12와 같이 프레임 요소 110b의 N극을 차폐하면, 자석 프레임(140)은 프레임 요소 110b로 기울게 되고, 도 13과 같이 프레임 요소 110d의 N극을 차폐하면, 자석 프레임(140)은 프레임 요소 110d로 기울게 된다. 이러한 제어 방식을 통해 상·하·좌·우 어느 한 쪽으로 자석 프레 임(140)을 기울일 수 있고, 아울러 기울어진 프레임 요소의 극성을 N극으로 전환하고 동시에 대향하는 프레임 요소의 극성을 S극으로 전환하는 절차를 반복적으로 제어하게 되면, 앞서 예시한 수직방향의 진동과 달리 상하방향 또는 좌우방향의 진동을 제공할 수 있게 된다.

또한, 본 실시형태는 상술한 기울어짐 형태 및 진동 형태에만 국한되지 않는다. 예를 들어, 도 14와 같이 자석배열 프레임(110)의 프레임 요소 110a 및 110d가 S극을 띠도록 차폐하면, 자석 프레임(140)은 프레임 요소 110a와 110d가 접하는 방향으로, 다시 말해 대각선 방향으로 기울어진다. 이와 유사하게 프레임 요소 110b 및 110c가 S극을 띠도록 차폐하면 자석 프레임(140)은 프레임 요소 110b와 110c가 접하는 방향으로 기울어진다(도 15 참조). 물론, 이와 같은 대각선 방향의 기울어짐을 반복적으로 제어하면 대각선 방향의 진동을 구현할 수 있다.

또한, 첨부도면 도 16에 예시된 바와 같이 자석배열 프레임(110)의 모든 프레임 요소가 N극과 S극을 동시에 갖도록 그리고 N극과 S극의 비율을 조정한 상태에서, 사용자가 손 또는 손가락으로 터치 패널을 상·하·좌·우로 문지(scrubbing)를 경우, 마치 울퉁불퉁한 표면을 만지는 것 같은 촉감, 예컨대 미끄러움, 뻑뻑함 등의 촉감을 제공할 수도 있다.

이와 같이, 제어부(150)가 선형 이동수단(130a, 130b, 130c, 130d)을 통해 차폐 스크린(120a, 120b, 120c, 120d)의 선형 이동을 제어함에 따라 사용자에게 매우 다양하고 자유로운 더 나아가 역동적인 반력과 촉감을 제공할 수 있게 되는 것이다.

살펴본 바와 같이, 본 발명의 햅틱 모듈(100)은 앞서 언급한 종래의 장치(678호의 터치 디스플레이 장치)에 비해 구성의 복잡도가 현저히 낮아 소형화를 더욱 심화시킬 수 있다. 따라서, 핸드폰, 휴대용 게임기, PDA 등과 같은 소형 전자장치에 용이하게 채용될 수 있다.

도 17은 상술한 햅틱 모듈(100)을 채용하는 전자장치(200)를 예시하고 있다. 전자장치(200)는 앞서 언급한 바와 같이 터치 패널(P)을 구비한 장치이다. 여기서, 햅틱 모듈(100)의 제어부(150)는 전자장치(200)의 중앙제어부(210)에 종속적이거나, 중앙제어부(210)가 상기 제어부(150)의 기능을 전담하도록 변형 실시될 수 있다.

이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 자력을 이용한 햅틱 모듈에 대한 개략적 구성도,

도 2는 도 1의 자석배열 프레임에 대한 세부 구성도,

도 3은 도 1의 차폐 스크린에 대한 세부 구성도,

도 4는 도 3의 선형 이동수단에 대한 예시도,

도 5는 도 3의 선형 이동수단에 따른 차폐 스크린의 선형 이동을 보인 예시도,

도 6은 도 3의 차폐 스크린의 선택적 차폐 동작을 보인 예시도,

도 7은 도 1의 자석 프레임에 대한 세부 구성도,

도 8은 도 1의 터치 패널에 대한 세부 구성도,

도 9는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 제어부를 보인 개략적 구성도,

도 10 내지 도 16은 도 9의 제어부에 따른 자석 프레임의 기울어짐을 보인 예시도.

도 17은 본 발명의 햅틱 모듈을 채용한 전자장치를 보인 개략적 구성도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

100 : 자력을 이용한 햅틱 모듈 110 : 자석배열 프레임

110a, 110b, 110c, 110d : 자석배열 프레임의 프레임 요소

120a, 120b, 120c, 120d : 차폐 스크린

122 : 윈도우

130a, 130b, 130c, 130d : 선형 이동수단

140 : 자석 프레임 150 : 제어부

P : 터치 패널

Claims

인접한 자석의 극성이 교번되도록 배열된 자석배열 프레임;

상기 자석배열 프레임의 프레임 요소 각각의 상부에 위치하고, 상기 프레임 요소의 어느 하나의 극성을 차폐하도록 윈도우 배열을 형성한 차폐 스크린;

상기 차폐 스크린의 외측부에 고정되어 프레임 요소의 길이방향으로 차폐 스크린을 이동시키는 선형 이동수단;

상기 차폐 스크린을 매개한 상태로 상기 자석배열 프레임 상부에 위치하고, 일면 전체에 동일 극성을 띠는 자석 프레임; 및

상기 선형 이동수단을 제어하는 제어부; 를 구비하는 것을 특징으로 하는 자력을 이용한 햅틱 모듈.
청구항 1에 있어서,

상기 선형 이동수단은,

고정자와, 상기 고정자 일면에 수직하게 고정된 고정막대, 및 상기 고정막대를 따라 이동하며 외주면에 상기 차폐 스크린의 측부를 삽입·고정하는 이동자를 구성하는 것을 특징으로 하는 자력을 이용한 햅틱 모듈.
청구항 1에 있어서,

상기 제어부는,

상기 선형 이동수단을 통해, 상기 차폐 스크린의 이동거리를 상기 윈도우의 크기로 제한하는 것을 특징으로 하는 것을 자력을 이용한 햅틱 모듈.
청구항 1에 있어서,

상기 제어부는,

상기 프레임 요소가 N극 및 S극을 동시에 띠도록 상기 선형 이동수단을 제어하여 상기 차폐 스크린을 이동시키는 것을 특징으로 하는 자력을 이용한 햅틱 모듈.
터치 패널을 포함하는 전자장치에 있어서,

인접한 자석의 극성이 교번되도록 배열된 자석배열 프레임;

상기 자석배열 프레임의 프레임 요소 각각의 상부에 위치하고, 상기 프레임 요소의 어느 하나의 극성을 차폐하도록 윈도우 배열을 형성한 차폐 스크린;

상기 차폐 스크린의 외측부에 고정되어 프레임 요소의 길이방향으로 차폐 스크린을 이동시키는 선형 이동수단;

상기 터치 패널을 상부에 부착하며, 상기 차폐 스크린을 매개한 상태로 상기 자석배열 프레임 상부에 위치하고, 일면 전체에 동일 극성을 띠는 자석 프레임; 및

상기 선형 이동수단을 제어하는 제어부; 를 구성한 햅틱 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자장치.
청구항 5에 있어서,

상기 선형 이동수단은,

고정자와, 상기 고정자 일면에 수직하게 고정된 고정막대, 및 상기 고정막대를 따라 이동하며 외주면에 상기 차폐 스크린의 측부를 삽입·고정하는 이동자를 구성하는 것을 특징으로 하는 전자장치.
청구항 5에 있어서,

상기 제어부는,

상기 선형 이동수단을 통해, 상기 차폐 스크린의 이동거리를 상기 윈도우의 크기로 제한하는 것을 특징으로 하는 전자장치.
청구항 5에 있어서,

상기 제어부는,

상기 프레임 요소가 N극 및 S극을 동시에 띠도록 상기 선형 이동수단을 제어하여 상기 차폐 스크린을 이동시키는 것을 특징으로 하는 전자장치.
터치 패널을 포함하는 전자장치에 있어서,

인접한 자석의 극성이 교번되도록 배열된 자석배열 프레임;

상기 자석배열 프레임의 프레임 요소 각각의 상부에 위치하고, 상기 프레임 요소의 어느 하나의 극성을 차폐하도록 윈도우 배열을 형성한 차폐 스크린;

상기 차폐 스크린의 외측부에 고정되어 프레임 요소의 길이방향으로 차폐 스크린을 이동시키는 선형 이동수단; 및

상기 터치 패널을 상부에 부착하며, 상기 차폐 스크린을 매개한 상태로 상기 자석배열 프레임 상부에 위치하고, 일면 전체에 동일 극성을 띠는 자석 프레임; 을 구성한 햅틱 모듈을 포함하며,

상기 전자장치의 중앙제어부는 상기 선형 이동수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 전자장치.
청구항 9에 있어서,

상기 선형 이동수단은,

고정자와, 상기 고정자 일면에 수직하게 고정된 고정막대, 및 상기 고정막대를 따라 이동하며 외주면에 상기 차폐 스크린의 측부를 삽입·고정하는 이동자를 구성하는 것을 특징으로 하는 전자장치.
청구항 9에 있어서,

상기 중앙제어부는,

상기 선형 이동수단을 통해, 상기 차폐 스크린의 이동거리를 상기 윈도우의 크기로 제한하는 것을 특징으로 하는 전자장치.
청구항 9에 있어서,

상기 중앙제어부는,

상기 프레임 요소가 N극 및 S극을 동시에 띠도록 상기 선형 이동수단을 제어하여 상기 차폐 스크린을 이동시키는 것을 특징으로 하는 전자장치.