KR100903422B1 - Ｅｒ 유체 또는 ｍｒ 유체를 이용한 조이스틱형 컨트롤노브 - Google Patents

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최승복
한영민
성금길
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인하대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 ER 유체 또는 MR 유체의 점성 변화를 이용하여 자동차의 컨트롤 패널의 키조작을 하나의 조이스틱형 햅틱 컨트롤 노브로 간단히 조작할 수 있는 것으로서, 더욱 상세하게는 원통 형상으로 내부는 구 형상의 중공 형태를 가지며 상측 중앙엔 원형의 홀이 형성된 제1 아우터 전극부(first outer electrode); 상측은 원반형 머리부가 형성되고, 상기 머리부의 하단으로부터 원기둥 형상의 가이드부가 일체로 형성되고, 상기 가이드부의 하측은 확관된 형상의 이너 전극부(inner electrode)의 내부 중앙에 일정 길이만큼 단면이 원형인 가이드 홈이 형성되어 이루어지는 노브(knob); 상측은 상기 노브의 상기 가이드부 외측을 에워싸듯 형성되되 중앙 내부로부터 일정 높이만큼 일체로 형성된 스프링 로드를 포함하는 원통 형상의 제2 아우터 전극부(second outer electrode); 상기 제2 아우터 전극부의 하단으로부터 원기둥 형상의 연결부가 일체로 형성되고 상기 연결부의 하측에 상기 제1 아우터 전극부 내부의 구 형상의 체적보다 작은 체적의 이너 스피어 전극부(inner sphere electrode)가 일체로 형성된 조이스틱부; 상기 노브의 상기 가이드부의 가이드 홈과 상기 스프링 로드 사이에 구비되는 탄성 스프링; 상기 가이드부의 외주 일정 위치에 장착되는 인코더(encoder); 상기 제1 아우터 전극부 내부 및 상기 이너 스피어 전극부 사이에 충진되는 ER 유체; 상기 제2 아우터 전극부 내부 및 상기 가이드부 사이에 충진되는 ER 유체(ER fluid); 상기 연결부의 외주 일정 위치에 장착되는 6축 포스 센서; 상기 인코더 및 상기 6축 포스 센서로부터 신호를 입력받아 고전압 증폭기를 통해 전기장을 발생시켜 상기 ER 유체의 점성의 변화를 가져오도록 하는 ECU;를 포함하여 이루어지며, 다른 실시예로는, 상기 ER 유체 대신에 MR 유체(MR fluid)를 충진시키고 마그네틱 코일(magnetic coil)을 구비시키고, 전류 증폭기로 하여금 상기 마그네틱 코일에 전류가 인가되어 자기장을 발생시키도록 이루어짐으로써, 운전자는 하나의 조이스틱형 햅틱 컨트롤 노브를 조작할 수 있어 기존의 각종 컨트롤 패널의 다양한 키의 조작을 위하여 주행 중 전방 주시를 소홀히 하는 경우를 방지하여 각종 주행 중의 사고를 미연에 예방할 수 있을 뿐만 아니라, 운전자의 시각에 의존한 각종 키의 조작에서 하나의 조이스틱형 햅틱 컨트롤 노브를 감도에 따라 간단히 조작할 수 있어 주행 중 안전성 및 편의성을 증대시킬 수 있는 ER 유체 또는 MR 유체를 이용한 조이스틱형 햅틱 컨트롤 노브를 요지로 한다.
조이스틱, 햅틱 컨트롤 노브(haptic control knob), ER 유체, MR 유체

Description

ＥＲ 유체 또는 ＭＲ 유체를 이용한 조이스틱형 컨트롤 노브{Joystick type- haptic control knob using ER fluid or MR fluid}
본 발명은 ER 유체 또는 MR 유체의 점성 변화를 이용하여 자동차 내에서 운전자가 조작하고자 하는 에어컨, 오디오, 내비게이션 및 시트 등의 작동 등을 하나의 조이스틱형 햅틱 컨트롤 노브를 통하여 간단하게 조작할 수 있는 것으로서, 조작하고자 하는 기능에 ECU의 판단 하에 다양한 크기의 전기장이 형성되어 조이스틱형 햅틱 컨트롤 노브의 머리부를 원주 방향으로 회전시키거나 하측 방향으로 가압시켜 조이스틱 처럼 X축, Y축 및 Z축 방향으로 이동킬 때 일정 각도마다 운전자가 걸림의 느낌을 감지하게 되어 각 기능에 따른 크기 정도를 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 각 기능별로 다양하게 정해져있는 Min 및 Max의 값에 도달하면 조이스틱형 햅틱 컨트롤 노브의 머리부는 더이상 회전할 수 없도록 구속동작이 발생하도록 하여 기존에 운전자의 시각에 의존한 각종 키의 조작에서 하나의 조이스틱형 햅틱 컨트롤 노브를 감도에 따라 간단히 조작할 수 있어 주행 중 안전성 및 편의성을 증대시킬 수 있는 ER 유체 또는 MR 유체를 이용한 조이스틱형 햅틱 컨트롤 노브에 관한 것이다.
일반적으로, ER 유체(elector-rheological fluid)는 발생되는 전기장(electrical field)의 강도에 따라 역학적 특성이 변하는 유체를 말하며, 기본적으로 비전도성(nonconductive) 용매에 전도성(conductivity)을 갖는 입자들을 분산시킨 콜로이드(colloidal) 용액이다.
ER 유체는 전기장 무발생시 랜덤(random) 구조를 갖고 있는 뉴토니안(Newtonian) 유체의 특성을 가지지만, 전기장 발생 시 항복전단응력을 갖는 빙햄(Bingham) 유체로 변하게 된다.
ER 유체는 액상이나 고상으로 빨리 변화하는 가역적인 유동성질을 가지고 있고 전기장의 세기로 항복전단응력(yield shear stress)을 연속적으로 변화시킬 수 있다.
이러한 ER 유체의 특성을 응용한 장치는 단순한 설계, 낮은 제조단가, 무소음, 무진동, 빠른 응답특성, 연속 제어성능, 작은 전력 소모량 등의 장점을 가지고 있다.
이들 장점을 이용하여 댐퍼, 엔진마운트, 클러치, 브레이크, 밸브 등에 응용되고 있다.
또한, MR 유체(magneto-rheological fluid)는 자기장(magnetic field) 발생에 의하여 ER 유체가 가지는 역학적 특성을 가질 수 있으며, 낮은 투자율(permeability)의 용매에 상자성(paramagnetic) 입자를 분산시킨 용액이다.
MR 유체의 응용장치는 ER 유체의 응용범위와 유사하며, 댐퍼, 마운트, 브레 이크 등에 응용되어 상용화가 된 바가 있다.
ER 및 MR 유체 응용장치의 성능을 좌우하는 중요 성분은 ER 및 MR 유체, 설계메커니즘, 제어로직, 주변 전력공급장치 등이 있다. MR 유체 응용장치는 ER 유체 응용장치의 간단한 전극(electrode) 설계와는 달리 자기장 형성을 위한 자기회로(magnetic circuit)의 설계를 필요로 한다.
자기회로의 설계는 인덕턴스(inductance)와 MR 유체에 발생 되는 자기장의 방향 등에 영향을 준다. 즉, 자기회로의 설계가 MR 유체 응용장치의 성능을 좌우할 수 있다.
현재 개발된 MR 유체의 항복전단응력은 ER 유체에 비하여 20~50배 정도 크다. 따라서, MR 유체 응용장치는 ER 유체 응용장치에 비하여 소형화가 가능하다.
MR 유체 응용장치의 응답속도는 자기장에 대한 MR 유체의 응답속도, 자기회로의 응답속도, 주변 전력공급장치의 시간지연(time delay)에 의하여 결정된다.
반면에, ER 유체 응용장치의 응답속도는 전기장에 대한 ER 유체의 응답속도와 주변 전력공급장치의 시간지연에 의존한다. 따라서 ER 유체를 이용한 응용장치의 응답속도가 MR 유체 응용장치의 경우보다 빠른 것으로 알려져 있다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 이러한 ER 유체를 적용한 댐퍼에 대해 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 1은 ER 유체(130)를 이용한 댐퍼(100)의 경우, 피스톤(180)을 중심으로 위쪽을 상부 챔버, 아래쪽을 하부 챔버로 나눌 수 있으며, ER 덕트(170)를 기준으로 안쪽에 있는 실린더를 이너 실린더(inner cylinder,120), 바깥쪽에 있는 실 린더를 아우터 실린더(outer cylinder,110)가 구비되어 이루어진다.
상기 하부 챔버에는 내부에 가스 챔버의 체적을 조절하는 격벽(diaphragm,160)이 구비된 가스 실린더(gas cylinder,150)가 상기 아우터 실린더(110)와 통하도록 구비된다.
상기 이너 실린더(120)와 아우터 실린더(110)는 도체로서 형성되어 상기 이너 실린더(120)와 아우터 실린더(110)에 전기장을 인가하도록 전압부(130)가 구비된다.
상기와 같이 이루어진 상기 댐퍼(100)는 상기 전압부(130)로부터 전기장이 발생되지 않을 경우, 상기 ER 유체의 유체 점성으로 인한 유체 댐핑력만을 발생시키게된다.
그와는 반면, 상기 전압부(130)로부터 전기장이 발생될 경우, 즉, 인가된 전압에 따라 상기 이너 실린더(120)와 상기 아우터 실린더(110) 사이의 상기 ER 유체(130)의 점성이 커지게 되어 상기 ER 유체(130)의 전단응력이 증가하게 되어 상기 ER 덕트(170) 사이의 ER 유체(130)의 유동 저항을 증가시킨다.
이것은 상기 피스톤(180)의 상하의 압력차를 증가시키며, 이로 인하여 상기 피스톤(180)의 상하운동에 소요되는 힘은 증가하게 된다.
결국, 상기 댐퍼(100)는 전기장의 무발생시에는 유체 점성으로 인한 유체댐핑력만을 발생시키게 되나, 전기장무발생시에는 유체점성으로 인한 댐핑력에 ER 유체의 항복응력으로 인한 댐핑력이 가해지므로 더 큰 댐핑력이 발생하게 된다.
그리고, 도 2는 MR 유체(230)를 이용한 댐퍼(200)의 경우로서, 피스톤(280) 을 중심으로 위쪽을 상부 챔버, 아래쪽을 하부 챔버로 나눌 수 있으며, 최외곽에 있는 아우터 실린더(outer cylinder,220), 내부에는 이너 실린더(inner cylinder,210)가 각각 구비되어 상기 이너 실린더(210) 및 아우터 실린더(220) 사이에 MR 유체 유로(MR fluid flow)가 형성되어 이루어진다.
상기 하부 챔버에는 내부에 가스 챔버의 체적을 조절하는 격벽(diaphragm,260)이 구비된 가스 실린더(gas cylinder,250)가 상기 아우터 실린더(220)와 통하도록 구비된다.
상기 이너 실린더(210)의 상측 및 하측에는 각각 마그네틱 코일(magnetic coil,280)이 권선되어 전류의 인가에 의해 자기장이 형성되는 마그네틱 써킷(magnetic circuit,270)이 형성된다.
이때, 상기 마그네틱 코일(280)에는 전류를 인가되도록 전류부(240)가 각각 연결되어 있다.
상기와 같이 이루어진 상기 댐퍼(200)는 상기 전류부(240)로부터 자기장이 발생되지 않을 경우, 상기 MR 유체(230)의 유체 점성으로 인한 유체 댐핑력만을 발생시키게된다.
그와는 반면, 상기 전류부(240)로부터 자기장이 발생될 경우, 즉, 인가된 전류에 따라 상기 이너 실린더(210)의 상측 및 하측에 상기 MR 유체(230)의 점성이 커지게 되어 상기 MR 유체(230)의 전단응력이 증가하게 되면 상기 이너 실린더(210) 내부의 MR 유체(230)의 유동 저항을 증가시킨다.
이것은 상기 피스톤(290)의 상·하의 압력차를 증가시키며, 이로 인하여 상 기 피스톤(290)의 상·하운동에 소요되는 힘은 증가하게 된다.
결국, 상기 댐퍼(200)는 자기장의 무발생시에는 유체 점성으로 인한 유체댐핑력만을 발생시키게 되나, 자기장 무발생시에는 유체점성으로 인한 댐핑력에 MR 유체의 항복응력으로 인한 댐핑력이 가해지므로 더 큰 댐핑력이 발생하게 된다.
따라서, 본 발명에서는 상술한 바와 같이 인가된 전압을 통해 양전극에 의한 전기장이 형성됨에 따라 ER 유체 내의 점성이 증대되는 특성 또는 인가된 전류를 통해 마그네틱 코일에 의해 자기장이 형성됨에 따라 MR 유체 내의 점성이 증대되는 특성을 이용하여 자동차 내 각종 키 패널의 키조작시 운전자가 시각에 의존하여 조작할 수 밖에 없어 전방에 대한 시인성이 저하되어 전방 주시를 소홀히 하여 야기되는 각종 충돌 사고 및 키조작에 따른 불편함을 해소하고자 한다.
상기한 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명은 ER 유체 또는 MR 유체의 전기장 또는 자기장의 강도의 변화만으로 조작하고자 하는 기능에 ECU의 판단 하에 다양한 크기의 전기장이 형성되어 조이스틱형 햅틱 컨트롤 노브의 머리부를 원주 방향으로 회전시키거나 하측 방향으로 가압시켜 조이스틱 처럼 X축, Y축 및 Z축 방향으로 이동킬 때 일정 각도마다 운전자가 걸림의 느낌을 감지하게 되어 각 기능에 따른 크기 정도를 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 각 기능별로 다양하게 정해져있는 Min 및 Max의 값에 도달하면 조이스틱형 햅틱 컨트롤 노브의 머리부는 더이상 회전할 수 없도록 구속동작이 발생하도록 하여 기존에 운전자의 시각에 의존한 각종 키의 조작에서 하나의 조이스틱형 햅틱 컨트롤 노브를 감도에 따라 간단히 조작할 수 있어 주행 중 안전성 및 편의성을 증대시킬 수 있는 ER 유체 또는 MR 유체를 이용한 조이스틱형 햅틱 컨트롤 노브를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
원통 형상으로 내부는 구 형상의 중공 형태를 가지며 상측 중앙엔 원형의 홀이 형성된 제1 아우터 전극부(first outer electrode);
상측은 원반형 머리부가 형성되고, 상기 머리부의 하단으로부터 원기둥 형상의 가이드부가 일체로 형성되고, 상기 가이드부의 하측은 확관된 형상의 이너 전극 부(inner electrode)의 내부 중앙에 일정 길이만큼 단면이 원형인 가이드 홈이 형성되어 이루어지는 노브(knob);
상측은 상기 노브의 상기 가이드부 외측을 에워싸듯 형성되되 중앙 내부로부터 일정 높이만큼 일체로 형성된 스프링 로드를 포함하는 원통 형상의 제2 아우터 전극부(second outer electrode);
상기 제2 아우터 전극부의 하단으로부터 원기둥 형상의 연결부가 일체로 형성되고 상기 연결부의 하측에 상기 제1 마그네틱 코일부 내부의 구 형상의 체적보다 작은 체적의 이너 스피어 전극부(inner sphere electrode)가 일체로 형성된 조이스틱부;
상기 노브의 상기 가이드부의 가이드 홈과 상기 스프링 로드 사이에 구비되는 탄성 스프링;
상기 가이드부의 외주 일정 위치에 장착되는 인코더(encoder);
상기 제1 아우터 전극부 내부 및 상기 이너 스피어 전극부 사이에 충진되는 ER 유체;
상기 제2 아우터 전극부 내부 및 상기 가이드부 사이에 충진되는 ER 유체;
상기 연결부의 외주 일정 위치에 장착되는 6축 포스 센서;
상기 인코더 및 상기 6축 포스 센서로부터 신호를 입력받아 고전압 증폭기를 통해 전기장을 발생시켜 상기 ER 유체의 점성의 변화를 가져오도록 하는 ECU;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 머리부의 직경 크기는 변경가능한 것을 특징으로 한다.
상기 제1 아우터 전극부의 크기는 변경가능한 것을 특징으로 한다.
상기 제2 아우터 전극부의 크기는 변경가능한 것을 특징으로 한다.
상기 ER 유체는 인가된 전압의 크기에 따라 점성이 변하는 것을 특징으로 한다.
상기 머리부의 상단면에 기준 위치를 나타낼 수 있는 다양한 숫자 또는 기호 등을 새길 수 있는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 다른 실시예로는,
원통 형상으로 내부는 구 형상의 중공 형태를 가지며 상측 중앙엔 원형의 홀이 형성되되, 외주연에 마그네틱 코일이 권선된 제1 마그네틱 코일부;
상측은 원반형 머리부가 형성되고, 상기 머리부의 하단으로부터 원기둥 형상의 가이드부가 일체로 형성되고, 상기 가이드부의 하측은 확관된 형상의 이너 전극부(inner electrode)의 내부 중앙에 일정 길이만큼 단면이 원형인 가이드 홈이 형성되어 이루어지는 노브(knob);
상측은 상기 노브의 상기 가이드부 외측을 에워싸듯 형성되되, 그 외주연에는 마그네틱 코일이 권선되며, 중앙 내부로부터 일정 높이만큼 일체로 형성된 스프링 로드를 포함하는 원통 형상의 제2 마그네틱 코일부;
상기 제2 마그네틱 코일부의 하단으로부터 원기둥 형상의 연결부가 일체로 형성되고 상기 연결부의 하측에 상기 제1 마그네틱 코일부 내부의 구 형상의 체적보다 작은 체적의 이너 스피어부(inner sphere)가 일체로 형성된 조이스틱부;
상기 노브의 상기 가이드부의 가이드 홈과 상기 스프링 로드 사이에 구비되 는 탄성 스프링;
상기 가이드부의 외주 일정 위치에 장착되는 인코더(encoder);
상기 제1 마그네틱 코일부 내부 및 상기 이너 스피어 전극부 사이에 충진되는 MR 유체(MR fluid);
상기 제2 마그네틱 코일부 내부 및 상기 가이드부 사이에 충진되는 MR 유체(MR fluid);
상기 연결부의 외주 일정 위치에 장착되는 6축 포스 센서;
상기 인코더 및 상기 6축 포스 센서로부터 신호를 입력받아 전류 증폭기를 통해 자기장을 발생시켜 상기 MR 유체의 점성의 변화를 가져오도록 하는 ECU;
를 포함하여 이루어진다.
그리고, 상기 머리부의 직경 크기는 변경가능한 것을 특징으로 한다.
상기 제1 마그네틱 코일부의 크기는 변경가능한 것을 특징으로 한다.
상기 제2 마그네틱 코일부의 크기는 변경가능한 것을 특징으로 한다.
상기 MR 유체는 인가된 전류의 크기에 따라 점성이 변하는 것을 특징으로 한다.
상기 머리부의 상단면에 기준 위치를 나타낼 수 있는 다양한 숫자 또는 기호 등을 새길 수 있는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 ER 유체 또는 MR 유체의 점성 변화를 이용하여 자동차 내에서 운전자가 조작하고자 하는 에어컨, 오디오, 내비게이션 및 시트 등의 작동 등을 하나의 조이스틱형 컨트롤 노브를 통하여 간단하게 조작할 수 있는 것으로서, 조작하고자 하는 기능에 ECU의 판단 하에 다양한 크기의 자기장이 형성되어 조이스틱형 햅틱 컨트롤 노브의 머리부를 원주 방향으로 회전시킬 때 일정 각도마다 운전자가 걸림의 느낌을 감지하게 되는 1차 조작 및 구 형상의 이너 스피어 전극부의 X축, Y축 및 Z축 방향으로의 회전 및 이동에 따라 입체적인 걸림의 느낌을 감지하게 되는 2차 조작에 따라 각 기능에 따른 크기 정도를 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 각 기능별로 다양하게 정해져있는 Min 및 Max의 값에 도달하면 햅틱 컨트롤 노브의 머리부는 더이상 회전할 수 없거나 구속동작이 발생하도록 하여 기존에 운전자의 시각에 의존한 각종 키의 조작에서 하나의 조이스틱형 햅틱 컨트롤 노브를 감도에 따라 간단히 조작할 수 있어 주행 중 안전성 및 편의성을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 조이스틱형 컨트롤 햅틱 노브는 자동차의 컨트롤 패널에서 뿐만 아니라 그 외의 선박 내 컨트롤 패널, 비행기의 컨트롤 패널 및 각종 군부대 내 컨트롤 패널 등에 적용할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 따른 조이스틱형 햅틱 컨트롤 노브를 개략적으로 나타내는 요부 단면도이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 조이스틱형 햅틱 컨트롤 노브를 개략적으로 나타내는 요부 단면도이다.
따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예 따른 ER 유체 또는 MR 유체를 이용한 조이스틱형 햅틱 컨트롤 노브(1)는 본 발명의 명세서의 실시예에서는 ER 유체를 이용한 구조로 도시 및 설명하고자 한다.
먼저, 원통 형상으로 내부는 구 형상의 중공 형태를 가지며 상측 중앙엔 원형의 홀이 형성된 제1 아우터 전극부(first outer electrode,30')를 포함한다.
그리고, 상측은 원반형 머리부(11)가 형성되고, 상기 머리부(11)의 하단으로부터 원기둥 형상의 가이드부(13)가 일체로 형성되고, 상기 가이드부(13)의 하측은 확관된 형상의 이너 전극부(inner electrode,20))의 내부 중앙에 일정 길이만큼 단면이 원형인 가이드 홈(15)이 형성되어 이루어지는 노브(knob,10)를 포함한다.
그리고, 상측은 상기 노브(10)의 상기 가이드부(13) 외측을 에워싸듯 형성되되 중앙 내부로부터 일정 높이만큼 일체로 형성된 스프링 로드(23)를 포함하는 원통 형상의 제2 아우터 전극부(second outer electrode,30)를 포함한다.
그리고, 상기 제2 아우터 전극부(30)의 하단으로부터 원기둥 형상의 연결부(33)가 일체로 형성되고 상기 연결부(33)의 하측에 상기 제1 아우터 전극부(30') 내부의 구 형상의 체적보다 작은 체적의 이너 스피어 전극부(inner sphere electrode,91)가 일체로 형성된 조이스틱부(90)를 포함한다.
그리고, 상기 노브(10)의 상기 가이드부(13)의 가이드 홈과 상기 스프링 로 드(23) 사이에 구비되는 탄성 스프링(21)을 포함한다.
그리고, 상기 가이드부(13)의 외주 일정 위치에 장착되는 인코더(encoder,50)를 포함한다.
그리고, 상기 제1 아우터 전극부(30') 내부 및 상기 이너 스피어 전극부(91) 사이와 상기 제2 아우터 전극부(30) 내부 및 상기 가이드부(13) 사이에 각각 ER 유체(40')(40)가 충진된다.
그리고, 상기 연결부(33)의 외주 일정 위치에 장착되는 6축 포스 센서(80)를 포함하며, 상기 인코더(50) 및 상기 6축 포스 센서(80)로부터 신호를 입력받아 고전압 증폭기(70)를 통해 전기장을 발생시켜 상기 ER 유체(40')(40)의 점성의 변화를 가져오도록 하는 ECU(60)를 포함하여 이루어진다.
상기 노브(10)의 머리부의 직경 크기는 운전자의 조작에 불편하지 않도록 해야 하며 자동차 내부의 내관에 대해 디자인의 조화를 해치지 않는 범위 내에서 다양한 크기로 변경가능하다.
이때, 상기 머리부(11)의 형상을 본 발명의 명세서에서는 원반형으로 나타내었으나, 원반형 이외의 삼각형, 사각형, 별모양 등 다양한 형상으로 형성할 수 있어 미려한 디자인을 나타낼 수 있다.
상기 제1 아우터 전극부(30') 및 상기 제2 아우터 전극부(30)의 크기는 상기 ER 유체(40')(40)의 요구되는 점성 크기에 따라 다양한 크기로 변경하여 형성할 수 있어 자동차 내부의 키조작을 대신하기 위한 상기 조이스틱형 햅틱 컨트롤 노브(1) 뿐만 아니라 그 외 다양한 분야에서 각종 기능을 하는 수많은 조작 키에도 적용 가 능하다.
예를 들면, 선박 내 컨트롤 패널, 비행기의 컨트롤 패널 및 각종 군부대 내 컨트롤 패널 등에 적용할 수 있다.
상기 ER 유체(40')(40)는 인가된 전압의 크기에 따라 점성이 변하므로, 다양한 전류의 크기를 인가하여 변화된 점성으로 인해 상기 조이스틱형 햅틱 컨트롤 노브(1)의 기능성을 더욱 향상시킬 수 있다.
그리고, 운전자가 상기 조이스틱형 햅틱 컨트롤 노브(1)의 상기 머리부(11)를 원주 방향으로 회전시킴에 따라 각종 기능을 구현시킬 수 있으나, 기능 변화를 위한 회전 또는 각 기능별 크기의 변화를 위한 회전시 원 위치 또는 이전 위치를 식별할 수 없는 경우가 발생할 단점을 해결하기 위해 즉, 운전자가 반대 방향으로 회전시 기준 위치를 쉽게 알 수 있도록 상기 머리부(11)의 상단면에 기준 위치를 나타낼 수 있는 다양한 숫자 또는 기호 등을 새겨 넣는 것이 바람직하다.
한편, 상기와 같은 본 발명에 따른 ER 유체 또는 MR 유체를 이용한 조이스틱형 햅틱 컨트롤 노브(1)의 작동 과정을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 자동차 내부의 각종 키패널 중에서 크게는 예를 들면 메인 기능인 에어컨, 히터 그리고, 라디오 등의 기능이 있으며, 풍량 조절, 온도 조절 그리고 주파수 조절 등의 기능인 보조 기능으로 나눌 수 있다.
여기서 에어컨, 히터 그리고, 라디오 등의 메인 기능 중 어느 한 기능을 운전자가 주행 중 조작하려 할 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 1차적으로 상기 머리부(11)를 회전시킴에 따라 메인 기능 중 하나를 선택하게 된다.
이때, 상기 머리부(11)가 회전함에 따라 상기 인코더(50)로부터 상기 ECU(60)가 신호를 입력받아 에어컨, 히터 그리고, 라디오 기능 별로 상기 고전압 증폭기(70)로부터 서로 다른 크기의 전압을 인가시켜 상기 이너 전극부(20) 및 상기 제2 아우터 전극부(30)로 인해 상기 ER 유체(40)에 전기장을 발생시키게 된다.
또한, 상기 이너 스피어 전극부(91) 및 상기 제1 아우터 전극부(30')로 인해 상기 ER 유체(40')에 전기장을 발생시키게 된다.
즉, 상기 제1 아우터 전극부(30') 내의 ER 유체(40')와 상기 제2 아우터 전극부(30) 내의 ER 유체(40)의 유체 점성이 증대되는 것이다.
따라서, 에어컨, 히터 그리고, 라디오 등의 메인 기능별 선택은 상기 머리부(11)의 1차적인 회전에 따라 택일하게 되는 것이다.
그 다음은 2차적으로 상기 머리부(11)를 하측 방향으로 가압시켜 상기 탄성 스프링(21)이 압축됨에 따라 상기 조이스틱부(90)의 상기 이너 스피어 전극부(91)가 X축, Y축 및 Z축 방향으로 즉, 입체적인 방향으로 회전과 동시에 이동함에 따라 상기 6축 포스 센서로부터 입력된 값에 따라 상기 ECU(60)가 상기 고전압 증폭기(70)를 통해 전기장을 발생시켜 상기 제1 아우터 전극부(30') 내의 상기 ER 유체(40')의 점성을 변화시키게 된다.
즉, 1차적으로 택일된 메인 기능인 에어컨, 히터 그리고 라디오 등 중에서 해당 메인 기능에 대한 세부 기능을 조절할 수 있어야 하는데, 이는 상기 머리부(11)를 하측 방향으로 밀어 내린 상태에서 상기 이너 스피어 전극부(91)의 X축, Y축 및 Z축으로의 회전 및 이동에 따라 택일된 메인 기능별로 세부 기능에 대한 다 양한 회전 각도 별로 걸림의 느낌을 운전자가 감지하여 조절할 수 있게 된다.
따라서, 상기와 같은 구조의 ER 유체 또는 MR 유체를 이용한 조이스틱형 햅틱 컨트롤 밸브는, 하나의 조이스틱형 햅틱 컨트롤 밸브를 1차 및/또는 2차 조작에 따라 다양하고 복잡한 자동차 내부의 컨트롤 패널 및 키 패널의 키조작을 단순한 조작으로 단일화 시킬 수 있어 운전자의 시각에 의존하던 기존의 키조작에 따른 전방 주시의 소홀과 그에 따라 야기되는 각종 사고를 미연에 방지할 수 있을 뿐만 아니라 주행 중 운전자의 조작 감도에 따라 원하는 메인 기능과 메인 기능별 세부 기능을 조작할 수 있어 주행의 안전성과 편의성을 가져올 수 있다.
한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 ER 유체 또는 MR 유체를 이용한 조이스틱형 햅틱 컨트롤 노브(1)는 본 발명의 명세서의 실시예에서는 MR 유체를 이용한 구조로 도시 및 설명하고자 한다.
먼저, 원통 형상으로 내부는 구 형상의 중공 형태를 가지며 상측 중앙엔 원형의 홀이 형성된 제1 마그네틱 코일부(first magnetic coil,30')를 포함한다.
그리고, 상측은 원반형 머리부(11)가 형성되고, 상기 머리부(11)의 하단으로부터 원기둥 형상의 가이드부(13)가 일체로 형성되고, 상기 가이드부(13)의 하측은 확관된 형상으로 형성되어 그 내부 중앙에 일정 길이만큼 단면이 원형인 가이드 홈(15)이 형성되어 이루어지는 노브(knob,10)를 포함한다.
그리고, 상측은 상기 노브(10)의 상기 가이드부(13) 외측을 에워싸듯 형성되되 중앙 내부로부터 일정 높이만큼 일체로 형성된 스프링 로드(23)를 포함하는 원 통 형상의 제2 마그네틱 코일부(second magnetic coil,30)를 포함한다.
그리고, 상기 제2 마그네틱 코일부(30)의 하단으로부터 원기둥 형상의 연결부(33)가 일체로 형성되고 상기 연결부(33)의 하측에 상기 제1 마그네틱 코일부(30') 내부의 구 형상의 체적보다 작은 체적의 이너 스피어부(inner sphere,91)가 일체로 형성된 조이스틱부(90)를 포함한다.
그리고, 상기 노브(10)의 상기 가이드부(13)의 가이드 홈과 상기 스프링 로드(23) 사이에 구비되는 탄성 스프링(21)을 포함한다.
그리고, 상기 가이드부(13)의 외주 일정 위치에 장착되는 인코더(encoder,50)를 포함한다.
그리고, 상기 제1 마그네틱 코일부(30') 내부 및 상기 이너 스피어부(91) 사이와 상기 제2 마그네틱 코일부(30) 내부 및 상기 가이드부(13) 사이에 각각 MR 유체(40')(40)가 충진된다.
그리고, 상기 연결부(33)의 외주 일정 위치에 장착되는 6축 포스 센서(80)를 포함하며, 상기 인코더(50) 및 상기 6축 포스 센서(80)로부터 신호를 입력받아 전류 증폭기(70')를 통해 자기장을 발생시켜 상기 MR 유체(40')(40)의 점성의 변화를 가져오도록 하는 ECU(60)를 포함하여 이루어진다.
상기 노브(10)의 머리부의 직경 크기는 운전자의 조작에 불편하지 않도록 해야 하며 자동차 내부의 내관에 대해 디자인의 조화를 해치지 않는 범위 내에서 다양한 크기로 변경가능하다.
이때, 상기 머리부(11)의 형상을 본 발명의 명세서에서는 원반형으로 나타내 었으나, 원반형 이외의 삼각형, 사각형, 별모양 등 다양한 형상으로 형성할 수 있어 미려한 디자인을 나타낼 수 있다.
상기 제1 마그네틱 코일부(30') 및 상기 제2 마그네틱 코일부(30)의 크기는 상기 MR 유체(40')(40)의 요구되는 점성 크기에 따라 다양한 크기로 변경하여 형성할 수 있으며, 각각 권선된 마그네틱 코일의 권선 밀도 및 권선 량을 조절할 수 있어, 자동차 내부의 키조작을 대신하기 위한 상기 조이스틱형 햅틱 컨트롤 노브(1) 뿐만 아니라 그 외 다양한 분야에서 각종 기능을 하는 수많은 조작 키에도 적용 가능하다.
예를 들면, 선박 내 컨트롤 패널, 비행기의 컨트롤 패널 및 각종 군부대 내 컨트롤 패널 등에 적용할 수 있다.
상기 MR 유체(40')(40)는 인가된 전압의 크기에 따라 점성이 변하므로, 다양한 전류의 크기를 인가하여 변화된 점성으로 인해 상기 조이스틱형 햅틱 컨트롤 노브(1)의 기능성을 더욱 향상시킬 수 있다.
그리고, 운전자가 상기 조이스틱형 햅틱 컨트롤 노브(1)의 상기 머리부(11)를 원주 방향으로 회전시킴에 따라 각종 기능을 구현시킬 수 있으나, 기능 변화를 위한 회전 또는 각 기능별 크기의 변화를 위한 회전시 원 위치 또는 이전 위치를 식별할 수 없는 경우가 발생할 단점을 해결하기 위해 즉, 운전자가 반대 방향으로 회전시 기준 위치를 쉽게 알 수 있도록 상기 머리부(11)의 상단면에 기준 위치를 나타낼 수 있는 다양한 숫자 또는 기호 등을 새겨 넣는 것이 바람직하다.
한편, 상기와 같은 본 발명에 따른 ER 유체 또는 MR 유체를 이용한 조이스틱 형 햅틱 컨트롤 노브(1)의 작동 과정을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 자동차 내부의 각종 키패널 중에서 크게는 예를 들면 메인 기능인 에어컨, 히터 그리고, 라디오 등의 기능이 있으며, 풍량 조절, 온도 조절 그리고 주파수 조절 등의 기능인 보조 기능으로 나눌 수 있다.
여기서 에어컨, 히터 그리고, 라디오 등의 메인 기능 중 어느 한 기능을 운전자가 주행 중 조작하려 할 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 1차적으로 상기 머리부(11)를 회전시킴에 따라 메인 기능 중 하나를 선택하게 된다.
이때, 상기 머리부(11)가 회전함에 따라 상기 인코더(50)로부터 상기 ECU(60)가 신호를 입력받아 에어컨, 히터 그리고, 라디오 기능 별로 상기 전류 증폭기(70')로부터 서로 다른 크기의 전류를 인가시켜 상기 제2 마그네틱 코일부(30)로 인해 상기 MR 유체(40)에 자기장을 발생시키게 된다.
또한, 상기 제1 마그네틱 코일부(30')로 인해 상기 MR 유체(40')에 자기장을 발생시키게 된다.
즉, 상기 제1 마그네틱 코일부(30') 내의 MR 유체(40')와 상기 제2 마그네틱 코일부(30) 내의 MR 유체(40)의 유체 점성이 증대되는 것이다.
따라서, 에어컨, 히터 그리고, 라디오 등의 메인 기능별 선택은 상기 머리부(11)의 1차적인 회전에 따라 택일하게 되는 것이다.
그 다음은 2차적으로 상기 머리부(11)를 하측 방향으로 가압시켜 상기 탄성 스프링(21)이 압축됨에 따라 상기 조이스틱부(90)의 상기 이너 스피어부(91)가 X축, Y축 및 Z축 방향으로 즉, 입체적인 방향으로 회전과 동시에 이동함에 따라 상 기 6축 포스 센서로부터 입력된 값에 따라 상기 ECU(60)가 상기 전류 증폭기(70')를 통해 자기장을 발생시켜 상기 제1 마그네틱 코일부(30') 내의 상기 MR 유체(40')의 점성을 변화시키게 된다.
즉, 1차적으로 택일된 메인 기능인 에어컨, 히터 그리고 라디오 등 중에서 해당 메인 기능에 대한 세부 기능을 조절할 수 있어야 하는데, 이는 상기 머리부(11)를 하측 방향으로 밀어 내린 상태에서 상기 이너 스피어부(91)의 X축, Y축 및 Z축으로의 회전 및 이동에 따라 택일된 메인 기능별로 세부 기능에 대한 다양한 회전 각도 별로 걸림의 느낌을 운전자가 감지하여 조절할 수 있게 된다.
따라서, 상기와 같은 구조의 ER 유체 또는 MR 유체를 이용한 조이스틱형 햅틱 컨트롤 밸브는, 하나의 조이스틱형 햅틱 컨트롤 밸브를 1차 및/또는 2차 조작에 따라 다양하고 복잡한 자동차 내부의 컨트롤 패널 및 키 패널의 키조작을 단순한 조작으로 단일화 시킬 수 있어 운전자의 시각에 의존하던 기존의 키조작에 따른 전방 주시의 소홀과 그에 따라 야기되는 각종 사고를 미연에 방지할 수 있을 뿐만 아니라 주행 중 운전자의 조작 감도에 따라 원하는 메인 기능과 메인 기능별 세부 기능을 조작할 수 있어 주행의 안전성과 편의성을 가져올 수 있다.
본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
도 1은 일반적인 ER 유체의 특성을 이용한 댐퍼를 개략적으로 나타내는 단면도,
도 2는 일반적인 MR 유체의 특성을 이용한 댐퍼를 개략적으로 나타내는 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 조이스틱형 햅틱 컨트롤 노브를 개략적으로 나타내는 요부 단면도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 조이스틱형 햅틱 컨트롤 노브를 개략적으로 나타내는 요부 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>
1: 조이스틱형 햅틱 컨트롤 노브 10: 노브
11: 머리부 13: 가이드부
20: 이너 전극부 21: 탄성 스프링
23: 스프링 로드 30: 제2 아우터 전극부
30': 제1 아우터 전극부 40,40': ER 유체
50: 인코더 60: ECU
70: 고전압 증폭기 80: 6축 포스 센서
90: 조이스틱부 91: 이너 스피어 전극부

Claims (12)

  1. 원통 형상으로 내부는 구 형상의 중공 형태를 가지며 상측 중앙엔 원형의 홀이 형성된 제1 아우터 전극부(first outer electrode);
    상측은 머리부가 형성되고, 상기 머리부의 하단으로부터 원기둥 형상의 가이드부가 일체로 형성되고, 상기 가이드부의 하측은 확관된 형상의 이너 전극부(inner electrode)의 내부 중앙에 일정 길이만큼 단면이 원형인 가이드 홈이 형성되어 이루어지는 노브(knob);
    상측은 상기 노브의 상기 가이드부 외측을 에워싸듯 형성되되 중앙 내부로부터 일정 높이만큼 일체로 형성된 스프링 로드를 포함하는 원통 형상의 제2 아우터 전극부(second outer electrode);
    상기 제2 아우터 전극부의 하단으로부터 원기둥 형상의 연결부가 일체로 형성되고 상기 연결부의 하측에 상기 제1 아우터 전극부 내부의 구 형상의 체적보다 작은 체적의 이너 스피어 전극부(inner sphere electrode)가 일체로 형성된 조이스틱부;
    상기 노브의 상기 가이드부의 가이드 홈과 상기 스프링 로드 사이에 구비되는 탄성 스프링;
    상기 가이드부의 외주 일정 위치에 장착되는 인코더(encoder);
    상기 제1 아우터 전극부 내부 및 상기 이너 스피어 전극부 사이에 충진되는 ER 유체;
    상기 제2 아우터 전극부 내부 및 상기 가이드부 사이에 충진되는 ER 유체(ER fluid);
    상기 연결부의 외주 일정 위치에 장착되는 6축 포스 센서;
    상기 인코더 및 상기 6축 포스 센서로부터 신호를 입력받아 고전압 증폭기를 통해 전기장을 발생시켜 상기 ER 유체의 점성의 변화를 가져오도록 하는 ECU;
    를 포함하여 이루어지는 ER 유체를 이용한 조이스틱형 햅틱 컨트롤 노브.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 머리부의 형상은 원반형, 삼각형, 사각형, 별모양 중 하나의 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 ER 유체를 이용한 조이스틱형 햅틱 컨트롤 노브.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 ECU는 상기 머리부가 회전함에 따라 상기 인코더로부터 신호를 입력받아 입력받은 신호에 따라 상기 고전압 증폭기를 이용하여 상기 이너 전극부 및 상기 제 2 아우터 전극부에 서로 다른 크기의 전압을 인가시켜 상기 ER 유체의 점성을 가변시키는 것을 특징으로 하는 ER 유체를 이용한 조이스틱형 햅틱 컨트롤 노브.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 ECU는 상기 머리부가 하측 방향으로 가압된 상태에서 상기 이너 스피어 전극부의 X축, Y축 및 Z축으로의 회전 및 이동을 감지한 상기 6축 포스 센서로부터 입력된 값에 따라 상기 고전압 증폭기를 이용하여 상기 제1 아우터 전극부에 서로 다른 크기의 전압을 인가시켜 상기 ER 유체의 점성을 가변시키는 것을 특징으로 하는 ER 유체를 이용한 조이스틱형 햅틱 컨트롤 노브.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 ER 유체는 인가된 전압의 크기에 따라 점성이 변하는 것을 특징으로 하는 ER 유체를 이용한 조이스틱형 햅틱 컨트롤 노브.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 머리부의 상단면에는 기준 위치를 나타내는 숫자 또는 기호가 형성된 것을 특징으로 하는 ER 유체를 이용한 조이스틱형 햅틱 컨트롤 노브.
  7. 원통 형상으로 내부는 구 형상의 중공 형태를 가지며 상측 중앙엔 원형의 홀이 형성되되, 외주연에 마그네틱 코일이 권선된 제1 마그네틱 코일부;
    상측은 머리부가 형성되고, 상기 머리부의 하단으로부터 원기둥 형상의 가이드부가 일체로 형성되고, 상기 가이드부의 하측은 확관된 형상의 이너 전극부(inner electrode)의 내부 중앙에 일정 길이만큼 단면이 원형인 가이드 홈이 형성되어 이루어지는 노브(knob);
    상측은 상기 노브의 상기 가이드부 외측을 에워싸듯 형성되되, 그 외주연에는 마그네틱 코일이 권선되며, 중앙 내부로부터 일정 높이만큼 일체로 형성된 스프링 로드를 포함하는 원통 형상의 제2 마그네틱 코일부;
    상기 제2 마그네틱 코일부의 하단으로부터 원기둥 형상의 연결부가 일체로 형성되고 상기 연결부의 하측에 상기 제1 마그네틱 코일부 내부의 구 형상의 체적보다 작은 체적의 이너 스피어부(inner sphere)가 일체로 형성된 조이스틱부;
    상기 노브의 상기 가이드부의 가이드 홈과 상기 스프링 로드 사이에 구비되는 탄성 스프링;
    상기 가이드부의 외주 일정 위치에 장착되는 인코더(encoder);
    상기 제1 마그네틱 코일부 내부 및 상기 이너 스피어 전극부 사이에 충진되는 MR 유체(MR fluid);
    상기 제2 마그네틱 코일부 내부 및 상기 가이드부 사이에 충진되는 MR 유체(MR fluid);
    상기 연결부의 외주 일정 위치에 장착되는 6축 포스 센서;
    상기 인코더 및 상기 6축 포스 센서로부터 신호를 입력받아 전류 증폭기를 통해 자기장을 발생시켜 상기 MR 유체의 점성의 변화를 가져오도록 하는 ECU;
    를 포함하여 이루어지는 MR 유체를 이용한 조이스틱형 햅틱 컨트롤 노브.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 머리부의 형상은 원반형, 삼각형, 사각형, 별모양 중 하나의 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 MR 유체를 이용한 조이스틱형 햅틱 컨트롤 노브.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 ECU는 상기 머리부가 회전함에 따라 상기 인코더로부터 신호를 입력받아 입력받은 신호에 따라 상기 전류 증폭기를 이용하여 상기 제 2 마그네틱 코일부에 서로 다른 크기의 전류를 인가시켜 상기 MR 유체의 점성을 가변시키는 것을 특징으로 하는 MR 유체를 이용한 조이스틱형 햅틱 컨트롤 노브.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 ECU는 상기 머리부가 하측 방향으로 가압된 상태에서 상기 이너 스피어 전극부의 X축, Y축 및 Z축으로의 회전 및 이동을 감지한 상기 6축 포스 센서로부터 입력된 값에 따라 상기 전류 증폭기를 이용하여 상기 제1 마그네틱 코일부에 서로 다른 크기의 전류를 인가시켜 상기 MR 유체의 점성을 가변시키는 것을 특징으로 하는 MR 유체를 이용한 조이스틱형 햅틱 컨트롤 노브.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 MR 유체는 인가된 전류의 크기에 따라 점성이 변하는 것을 특징으로 하는 MR 유체를 이용한 조이스틱형 햅틱 컨트롤 노브.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 머리부의 상단면에는 기준 위치를 나타내는 숫자 또는 기호가 형성된 것을 특징으로 하는 MR 유체를 이용한 조이스틱형 햅틱 컨트롤 노브.
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