KR100904389B1 - 박형 촉감장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 박형 촉감장치에 관한 것으로서, 사용자의 피부가 접근되는 상부판과, 강자성체로 이루어진 하부판을 갖는 하우징; 상기 하우징의 내측에 출몰할 수 있도록 장착되되, 상기 하우징의 상부판으로부터 그 선단이 돌출 시 사용자의 피부에 접촉되고, 상기 하우징의 내측으로 그 선단이 몰입 시 상기 하부판에 근접 또는 부착되는 영구자석이 후단에 구비된 터치핀; 상기 상부판과 상기 하부판 사이에 장착되되, 상기 다수의 터치핀 중 일부와 고정적으로 관통되고, 상기 다수의 터치핀 중 나머지와 유동적으로 관통되며, 상기 고정적으로 관통된 터치핀의 영구자석이 상기 하부판에 근접 또는 부착되어 상기 터치핀의 몰입 시 탄성변형되어 탄성 에너지를 갖는 탄성수단; 및 상기 탄성수단의 표면에 구비되되, 전류 미인가 시 상기 터치핀의 영구자석이 상기 하부판에 근접 또는 부착됨에 따라 상기 탄성수단과 함께 변형되고, 전류 인가 시 상기 터치핀의 선단이 상기 상부판으로부터 돌출되도록 상기 터치핀의 영구자석이 상기 하부판으로부터 멀어지게 상기 탄성수단과 함께 복원되는 리니어 액츄에이션 수단;을 포함한다.
박형, 촉감, 터치핀, 탄성수단

Description

박형 촉감장치{Thin type device for tactile feedback}
본 발명은 박형 촉감장치에 관한 것으로, 특히 사용자의 피부를 자극하여 사용자에게 실감 있는 촉감을 주기 위한 박형 촉감장치에 관한 것이다.
일반적으로, 햅틱장치(Haptic Device)는 가상현실, 시뮬레이션(Simulation), 착용용 컴퓨터(Wearable Computers), 로보틱스(Robotics), 의료용 등 다양한 분야에 활용되고 있으며, 햅틱인터페이스(Haptic Interface)라고도 한다.
이러한 햅틱장치는 근육, 관절에 물리적인 힘을 전달해 주는 역감장치(Force Feedback Device)와, 피부에 접촉되어 있는 기계수용체(Mechano Receptor)를 통하여 질감, 온도, 압력, 진동, 통증 등과 같은 피부 자극을 전달하는 촉감장치(또는 촉감제시장치(Tactile Display)로 구분된다.
여기서, 촉감장치는 피부 자극에 의하여 사용자에게 실제 물체의 질감과 같은 사실적인 힘(Realistic Force)을 구현하는 촉감기술(Tactile Technology)을 구비하는 것이 중요하며, 이상적인 촉감의 인지를 위해 피부를 자극하는 포인트(Point)들 사이의 간격을 1.3mm 이하로 배열하는 것이 유리하다고 알려져 있다.
촉감장치의 일례로 미국 특허출원공개 제2006/0012576A1호의 다층 터치 디스 플레이 장치(Multi-layer Touch Display Device)가 개시되어 있다.
이 특허 문헌의 다층 터치 디스플레이 장치는 터치플레이트(Touch Plate), 자력을 갖는 복수개의 촉감 변경 구성요소(Tactile Sensation Modification Component)들과 복수개의 코일(Coil)들로 구성된다.
상술한 촉감 변경 구성요소들은 터치플레이트에 작동할 수 있도록 장착되고, 코일에 인가되는 전류의 방향에 따라 진동되며, 터치플레이트의 진동에 의하여 사용자의 손 또는 손가락이 자극됨에 따라 사용자는 스크린에 표시되는 물체의 촉감을 느낄 수 있다.
그러나 상기한 특허 문헌의 촉감장치는 촉감 변경 구성요소들의 블레이드(Blade)가 그 기구적인 구조에 의하여 큰 면적으로 제작되고 있으므로, 피부를 자극하는 포인트들의 간격이 멀게 떨어져 실감 있는 촉감을 구현하는데 미흡한 문제가 있다.
특히, 코일과 블레이드의 하면에 장착되어 있는 자석으로 구성되는 전자기 장치가 차지하는 면적에 의하여 소형화가 매우 곤란한 문제가 있다.
또한, 블레이드는 아암(Arm)들에 의하여 터치플레이트에 지지되어 있고, 전자기 장치의 코일이 평판형으로 구성되어 있기 때문에 구현할 수 있는 변위와 힘에 많은 제약을 받는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 전류인가 여부에 따라 터치핀이 출몰되도록 변형 또는 복원되는 리니어 액츄에이션 수단과 탄성수단의 연동 구조에 의하여 실재감 있는 촉감을 구현할 수 있을 뿐만 아니라 촉감장치의 전체적인 두께를 획기적으로 줄임에 따라 소형 전자장치에 내장될 수 있고, 제어성을 향상시킬 수 있으며, 저전력 및 고출력의 박형 촉감장치를 제공함에 있다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 박형 촉감장치는, 사용자의 피부가 접근되는 상부판과, 강자성체로 이루어진 하부판을 갖는 하우징; 상기 하우징의 내측에 출몰할 수 있도록 장착되되, 상기 하우징의 상부판으로부터 그 선단이 돌출 시 사용자의 피부에 접촉되고, 상기 하우징의 내측으로 그 선단이 몰입 시 상기 하부판에 근접 또는 부착되는 영구자석이 후단에 구비된 터치핀; 상기 상부판과 상기 하부판 사이에 장착되되, 상기 다수의 터치핀 중 일부와 고정적으로 관통되고, 상기 다수의 터치핀 중 나머지와 유동적으로 관통되며, 상기 고정적으로 관통된 터치핀의 영구자석이 상기 하부판에 근접 또는 부착되어 상기 터치핀의 몰입 시 탄성변형되어 탄성 에너지를 갖는 탄성수단; 및 상기 탄성수단의 표면에 구비되되, 전류 미인가 시 상기 터치핀의 영구자석이 상기 하부판에 근접 또는 부착됨에 따라 상기 탄성수단과 함께 변형되고, 전류 인가 시 상기 터치핀의 선단이 상 기 상부판으로부터 돌출되도록 상기 터치핀의 영구자석이 상기 하부판으로부터 멀어지게 상기 탄성수단과 함께 복원되는 리니어 액츄에이션 수단;을 포함한다.
바람직하게, 상기 리니어 액츄에이션 수단은, 형상기억합금(SMA, shape memory alloy)으로 구성된다.
바람직하게, 상기 리니어 액츄에이션 수단은, 전기작동 폴리머(EAP, electro active polymer)로 구성된다.
바람직하게, 상기 리니어 액츄에이션 수단은, 전류 인가 시 부피가 줄어드는 물질 또는 전류 인가 시 휘는 물질로 구성된다.
바람직하게, 상기 리니어 액츄에이션 수단은, 피에조 물질(piezo material)로 구성된다.
바람직하게, 상기 탄성수단은, 플레이트형상으로서, 상기 다수의 터치핀 중 일부와 고정적 관통을 위한 고정홀과, 상기 다수의 터치핀 중 나머지와 유동적 관통을 위한 유동홀이 형성되고, 상기 고정홀의 주위에 탄성변형을 위한 슬롯이 형성된다.
이때, 상기 다수의 터치핀 중 나머지는, 상기 유동홀 또는 상기 슬롯을 통해 유동적으로 관통될 수 있다.
한편, 상기 탄성수단은, 복수개가 적층되고, 상기 복수개의 탄성수단들 사이에는 간격의 유지를 위한 메인스페이서가 각각 개재된다.
또한, 상기 각각의 탄성수단은, 상기 슬롯의 형성에 의하여 상기 고정홀의 주위에 일점 지지되는 탄성변형부가 형성되고, 상기 각각의 고정홀을 중심으로 상 기 탄성변형부가 등간격을 이루도록 형성된다.
바람직하게, 상기 하우징의 상부판은, 상기 터치핀들이 통과될 수 있는 관통홀이 형성된다.
바람직하게, 상기 터치핀의 운동을 직선운동으로 안내할 수 있도록 상기 하우징의 내측에 장착된 리니어모션 가이드를 더 구비하고, 상기 리니어모션 가이드는 상기 터치핀이 안내되도록 끼워지는 가이드홀이 형성된다.
바람직하게, 상기 리니어 액츄에이션 수단의 복원력은, 상기 터치핀의 영구자석이 상기 하부판에 근접되는 근접력 또는 부착되는 부착력보다 크도록 구성된다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 전류인가 여부에 따라 터치핀이 출몰되도록 변형 또는 복원되는 리니어 액츄에이션 수단과 탄성수단의 연동 구조에 의하여 터치핀들이 사용자의 피부를 자극하여 촉감을 구현할 수 있다.
또한, 촉감장치의 전체적인 두께를 획기적으로 줄임에 따라 소형 전자장치에 내장될 수 있다는 이점이 있다.
또한, 다수의 터치핀 간의 간격을 줄여 조밀하게 배열함으로써 실재감 있는 촉감을 구현할 수 있다.
또한, 탄성수단의 탄성 에너지가 터치핀의 운동력을 증폭시켜 리니어 액츄에이션 수단의 저전력 및 고출력 구동이 가능하고, 간편하게 소형화할 수 있으며, 터치핀의 제어성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 다수의 터치핀 간의 간격을 줄여 조밀하게 배열함으로써 실재감 있는 촉감을 구현할 수 있다.
본 실시예의 촉감장치는, 크게, 하우징(100), 터치핀(200), 탄성수단(300), 리니어 액츄에이션 수단(400)을 포함하여 구성된다.
상기 하우징(100)은, 촉감장치의 전체적인 외관을 이루는 부분으로서, 상기 터치핀(200), 상기 탄성수단(300), 상기 리니어 액츄에이션 수단(400)을 수용하며, 사용자의 피부(10)가 접근되는 상부판(110)과, 강자성체로 이루어진 하부판(130)이 구비된다.
상기 터치핀(200)은, 사용자의 피부(10)에 직접적으로 접촉되어 사용자로 하여금 촉각을 느낄 수 있도록 하는 부분으로서, 상기 하우징(100)의 내측에 출몰할 수 있도록 장착된다.
상기 탄성수단(300)은, 후술하는 리니어 액츄에이션 수단(400)에 의한 상기 터치핀(200)의 돌출을 효과적으로 작동시키기 위한 부분으로서, 상기 하우징(100)의 상부판(110)과 상기 하부판(130)의 사이에 장착된다.
상기 리니어 액츄에이션 수단(400)은, 상기 하우징(100)의 상부판(110)으로부터 상기 터치핀(200)의 선단(202)이 출몰되도록 작동시키기 위한 부분으로서, 상기 탄성수단(300)의 표면에 구비된다.
먼저, 하우징(100)에 대하여 설명하도록 한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 하우징(100)은 터치핀(200), 탄성수단(300), 리니어 액츄에이션 수단(400) 등을 내측에 수용하되, 촉감장치의 전체적인 외관을 이루는 부분으로서, 본체(120), 상부판(110), 하부판(130)으로 구성된다.
본체(120)의 횡단면은 속이 빈 공간(120a)을 갖는 육각형으로 형성되어 있으며, 일단과 타단은 개방되어 있으며, 일단에는 상부판(110)이 장착되고, 타단에는 하부판(130)이 장착되어, 본체(120)의 빈 공간(120a)이 폐쇄될 수 있다.
본체(120)의 횡단면은 육각형으로 형성되어 있는 것을 도시하고 설명하였으나, 이는 예시적인 것으로 다각형, 타원형, 원형 등 다양한 형상으로 형성될 수 있음은 물론이다.
한편, 본체(120)의 일단에 장착된 상부판(110)에는 터치핀(200)들이 통과될 수 있도록 다수의 관통홀(112)이 형성되어 있으며, 사용자의 피부(10), 예컨대 손가락을 상부판(110)에 접촉시키면 관통홀(112)을 통해 돌출되는 터치핀(200)을 통해 촉감을 느낄 수 있게 된다.
또한, 본체(120)의 타단에 장착된 하부판(130)은 강철과 같이 자석이 쉽게 부착되는 강자성체로 이루어지며, 이는, 후술하게 될 터치핀의 후단에 구비된 영구자석과의 연동을 위함이며, 이에 대해서는 터치핀의 작동에 대한 설명시 함께하도록 한다.
본체(120)의 외면에는 커넥터(122)가 구비되며, 이 커넥터(122)는 리니어 액츄에이션 수단(400)에 인가되는 전류를 제어하는 제어수단으로 컨트롤러, 마이크로 프로세서, 컴퓨터 등과 연결되어 있다.
상술한 바와 같이, 하우징(100)은 소정의 빈 공간(120a)을 제공함에 따라 터치핀(200), 탄성수단(300), 리니어 액츄에이션 수단(400) 등의 구성요소가 내측에 수용될 수 있게 된다.
다음으로, 터치핀(200)에 대하여 설명하도록 한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 터치핀(200)은 상술한 하우징(100)의 내측에 구비되어 있으며, 하우징(100)의 상부판(110)에 형성된 관통홀(112)을 통해 상부판(110)으로부터 그 선단(202)이 돌출되거나 하우징(100)의 내측으로 몰입되도록 장착된다.
즉, 상부판(110)에 형성된 관통홀(112)을 통해 상부판(110)으로부터 돌출되는 일부 또는 전체의 터치핀(200)의 선단(202)이 사용자의 피부(10)에 접촉됨에 따라 사용자는 촉감을 느낄 수 있게 되는 것이다. 한편, 터치핀(200)의 후단(204)에는 하우징(100)의 하부판(130)과 부착되거나 이탈되며 후술하는 탄성수단(300)과 리니어 액츄에이션 수단(400)과의 연동을 위한 영구자석(210)이 구비된다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 터치핀(200)의 선단(202)이 하우징(100)의 내측으로 몰입된 상태에서는 터치핀(200)의 선단(202)이 제1위치(P1)에 위치하게 되고, 도 3b에 도시된 바와 같이, 터치핀(200)의 선단(202)이 하우징(100)의 상부판(110)으로부터 돌출된 상태에서는 터치핀(200)의 선단(202)이 제2위치(P2)에 위치하게 된다.
이때, 터치핀(200)의 선단(202)이 제1위치(P1) 또는 제2위치(P2)로 위치되는 것은 탄성수단(300)과 리니어 액츄에이션 수단(300)에 의해 이루어지며, 이러한 터치핀(200)의 동작에 대해서는 탄성수단(300)과 리니어 액츄에이션 수단(400)에 대한 설명 시 함께하도록 한다.
상술한 바와 같이 터치핀(200)의 선단(202)이 제1위치(P1)와 제2위치(P2) 사이에서 동작하는 경우에, 터치핀(200)의 운동을 직선운동으로 안내할 수 있는 리니어모션 가이드(320)가 구비된다.
리니어모션 가이드(320)는 하우징(100)의 내측에 장착되어 있으며, 터치핀(200)의 후단(204), 상세하게는 터치핀(200)의 후단(204)에 구비된 영구자석(210)이 관통되도록 끼워지는 다수의 가이드홀(322)이 형성된다.
리니어모션 가이드(320)의 횡단면은 하우징(100)의 내측에서 회전이 방지되도록 하우징(100)의 횡단면과 일치되는 육각형으로 형성되며, 하우징(100)의 횡단면이 다각형, 타원형, 원형 등으로 변형되면, 그에 따라 동일한 횡단면을 갖도록 형성된다.
이처럼 하우징(100)의 내측에 회전이 방지되도록 장착된 리니어모션 가이드(320)의 다수의 가이드홀(322)에 각각 터치핀(200)이 끼워지므로, 터치핀(200)은 제1위치(P1)와 제2위치(P2) 사이에서 직선운동으로 안내될 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 터치핀(200)은 하우징(100)의 내측에 구비되어 하우징(100)의 상부판(110)으로부터 돌출 또는 몰입됨에 따라 사용자의 피부(10)에 접촉되어 사용자로 하여금 촉감을 느끼도록 할 수 있다.
다음으로, 탄성수단(300)에 대하여 설명하도록 한다.
도 4a 내지 도 4f에 도시된 바와 같이, 탄성수단(300)은 하우징(100)의 내측으로 터치핀(200)이 몰입된 경우에 탄성변형되어 탄성 에너지(elastic energy)를 갖는 구성요소로서, 하우징(100)의 상부판(110)과 하부판(130) 사이에 장착된다.
탄성수단(300)은 하나 이상의 탄성플레이트로 구성되어 있으며, 다수의 터치핀(200) 중 일부의 터치핀(200)과 고정적으로 관통되고, 다수의 터치핀(200) 중 나머지 터치핀(200)과 유동적으로 관통될 수 있도록 구성된다.
상세하게는, 상술한 탄성수단(300)은, 플레이트형상으로서, 다수의 터치핀(200) 중 일부의 터치핀(200)과 고정적 관통을 위한 고정홀(302)이 형성되고, 다수의 터치핀(200) 중 나머지 터치핀(200)과 유동적 관통을 위한 유동홀(304)이 형성되며, 상기 고정홀(302)의 주위에 탄성변형을 위한 슬롯(306)이 형성된다. 한편, 탄성수단(300)은 합성고무, 탄성력을 갖는 플라스틱, 스프링 판 등으로 제조될 수 있다.
예컨대, 도 4a에 도시된 바와 같이, 탄성수단(300)의 일부분에는 하나의 터치핀(200)이 고정적으로 관통되는 하나의 고정홀(302)이 형성되고, 이 고정홀(302)의 주위에 탄성변형을 위한 슬롯(306)이 나선형으로 형성되며, 이 슬롯(306)의 주변으로 고정홀(302)에 고정적으로 관통된 하나의 터치핀(200)을 제외한 나머지 터치핀(200)이 유동적으로 관통될 수 있는 다수의 유동홀(304)이 형성된다.
이와 같은 탄성수단(300)은, 도 4b 내지 도 4f에 도시된 바와 같이, 고정 홀(302)의 위치 및 갯수, 슬롯(306)의 형성 형태, 유동홀(304)의 위치 및 갯수를 다르게 하여 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
한편, 탄성수단(300)은, 슬롯(306)의 형성에 의하여 고정홀(302)의 주위에 일점 지지되는 탄성변형부(308)가 형성되고, 각각의 고정홀(302)을 중심으로 탄성변형부(308)가 등간격을 이루도록 형성된다.
즉, 도 4a 및 도 4b의 탄성수단(300)은 하나의 고정홀(302) 주위에 일점 지지되는 탄성변형부(308)가 등간격을 이루도록 형성되고, 도 4c 및 도 4d의 탄성수단(300)은 두개의 고정홀(302) 주위에 이점 지지되는 탄성변형부(308)가 등간격을 이루도록 형성되며, 도 4e 및 도 4f의 탄성수단(300)은 세개의 고정홀(302) 주위에 삼점 지지되는 탄성변형부(308)가 등간격을 이루도록 형성되어 있다.
상술한 탄성수단(300)은, 도 2 및 도 6에 도시된 바와 같이, 간격을 두고 복수개가 적층되어 있으며, 복수개의 탄성플레이트들 사이에는 간격의 유지를 위한 메인스페이서(310)가 각각 개재되어 있다.
메인스페이서(310)는 탄성수단(300)의 고정홀(302), 유동홀(304), 슬롯(306)과 대응되는 부분이 개구되어 탄성수단(300)의 가장자리를 지지하는 링 형태의 부재로서, 탄성수단(300)의 탄성변형부(308)의 탄성변형을 허용할 수 있는 두께를 갖는다.
상술한 탄성수단(300), 메인스페이서(310)는 본체(120)의 공간에 억지끼워맞춤되거나 고정수단, 예를 들어 접착제 에폭시수지(expoxy resin)에 의하여 고정될 수 있다.
한편, 다수의 터치핀(200) 중 일부의 터치핀(200)은 고정홀(302)에 고정적으로 관통되고, 다수의 터치핀(200) 중 나머지의 터치핀(200)은 유동홀(304)에 고정적으로 관통된다고 하였으나, 도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같이, 상기 다수의 터치핀(200) 중 나머지의 터치핀(200)은 탄성수단(300)의 슬롯(306)을 통해 유동적으로 관통될 수도 있다.
즉, 도 5a와 같이 제1탄성수단(300a), 제2탄성수단(300b), 제3탄성수단(300c)이 배열된 상태에서, 도 5b에 도시된 바와 같이, 제1터치핀(200a)이 제1탄성수단(300a)의 제1고정홀(302a)에 고정적으로 관통됨과 동시에 제2탄성수단(300b)의 제2슬롯(306b) 및 제3탄성수단(300c)의 제3슬롯(306c)에 유동적으로 관통되어, 도 5c와 같이 구성될 수 있다. 이때, 제2터치핀(200b)은 제2탄성수단(300b)의 제2고정홀(302b)에 고정적으로 관통됨과 동시에 제1탄성수단(300a)의 제1슬롯(306a) 및 제3탄성수단(300c)의 제3슬롯(306c)에 유동적으로 관통되고, 제3터치핀(200c)은 제3탄성수단(300c)의 제3고정홀(302c)에 고정적으로 관통됨과 동시에 제1탄성수단(300a)의 제1슬롯(306a) 및 제2탄성수단(300b)의 제2슬롯(306b)에 유동적으로 관통된다.
상술한 바와 같이, 탄성수단(300)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 다양한 형태의 탄성수단(300)을 조합하여 구성됨에 따라 후술하는 리니어 액츄에이션 수단(400)의 작동에 의해 터치핀(200)이 하우징의 상부판으로부터 돌출 시 터치핀의 운동력을 증폭시키는 수단으로 활용된다.
다음으로, 리니어 액츄에이션 수단(400)에 대하여 설명하도록 한다.
리니어 액츄에이션 수단(400)은, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 터치핀(200)이 제1위치(P1)와 제2위치(P2) 사이에서 운동되게 하는 구성요소로서, 도 7에 도시된 바와 같이, 탄성수단(300)의 표면에 구비된다. 상세하게는, 탄성수단(300)의 탄성변형부(308)의 표면을 따라 구비된다.
상술한 리니어 액츄에이션 수단(400)은 전류 인가 시 부피가 줄어드는 물질 또는 전류 인가 시 휘는 물질로 구성되는 것이 바람직하며, 예컨대, 형상기억합금(SMA, shape memory alloy)이나 전기작동 폴리머(EAP, electro active polymer), 또는 피에조 물질(piezo material)로 구성할 수 있다.
형상기억합금은 저온에서 변형한 다음 가열에 의해서 원상태로 복원되는데, 다시 냉각될 때에는 형상의 변화가 없다. 이러한 현상을 일방향 형상기억효과 (one-way shape memory effect)라 한다.
한편, 고온에서의 형상과 저온에서의 형상을 모두 기억하여 형상이 바뀌는 현상은 이방향 형상기억효과(two-way shape memory effect) 또는 가역 형상기억효과 (reversible shape memory effect)라고 한다.
이와 같은 형상기업합금이 변형된 상태에서 전류를 인가하면 열이 발생되고, 이에 따라 형상기억합금이 가열되어 원상태로 복원될 수 있다.
전기작동 폴리머는 넓은 범위의 물리적, 전기적 특성을 잘 나타내도록 제조되고 처리되는 폴리머의 일종으로서, 전류를 인가하여 활성화되면, 일반적으로 왜 곡이라고 불리는 상당한 이동 또는 변형을 이룰 수 있다. 이러한 변형은, 재료의 길이, 폭, 두께, 반지름 방향 등에 따라 다르게 할 수 있으며, 10%에서 최대 50%까지의 변형도 가능한 것으로 알려져 있다.
이 탄력적인 왜곡의 크기는 3% 이내의 변형률을 갖는 피에조(piezo)와 비교하여 볼 때 매우 특이한 것이며, 적절한 전기 시스템에 따라서 완전한 제어가 가능하다는 점에서 매우 큰 장점이 있다.
상기 전기작동 폴리머는 작고, 제어가 용이하고, 저전력이며, 고속 응답 속도를 지니고, 또한 그 잠재적인 비용 또한 그리 높지 않다. 현재 전기작동 폴리머는 인공 근육 분야에서 채택되어 그 연구가 활발히 진행되고 있다.
상기 전기작동 폴리머는, 외부로부터 물리적 변형이 가해지면, 이에 대응되는 전기 신호를 출력하기 때문에, 센서로도 사용될 수 있다. 대부분의 전기작동 폴리머에 이용되는 재료는 전기적으로 측정한 전위차를 발생하므로, 힘, 위치, 속도, 가속도, 압력 등의 센서로서 사용하는 것이 가능하다. 대부분의 전기작동 폴리머는 이와 같이 양방향 성질을 나타내기 때문에, 센서 또는 액츄에이터로 모두 사용이 가능하다.
피에조 물질은 전류를 가하면 인장 또는 수축하는 물질을 의미한다.
상술한 바와 같이, 전류의 인가에 따라 가열되어 그 형상이 복원되는 형상기억합금이나 전류의 인가에 따라 활성화되어 변형되는 전기작동 폴리머 또는 피에조 물질과 같이 전류 인가 시 부피가 줄어드는 물질 또는 전류 인가 시 휘는 물질로 구성된 리니어 액츄에이션 수단(400)은, 탄성수단(300)의 탄성변형부(308) 표면에 구비되되, 전류 미인가 시 터치핀(200)의 영구자석(210)이 하우징(100)의 하부판(130)에 근접 또는 부착됨에 따라 탄성수단(300)과 함께 변형되고, 전류 인가 시 터치핀(200)의 선단(202)이 하우징(100)의 상부판(110)으로부터 돌출되도록 터치핀(200)의 영구자석(210)이 하우징(100)의 하부판(130)으로부터 멀어지게 탄성수단과 함께 복원된다.
즉, 도 3a의 상태에서 리니어 액츄에이션 수단(400)의 양극부(402)와 음극부(404)를 통해 전류를 인가하면, 전류에 의해 발생되는 열 또는 전류에 의한 활성화를 통해, 도 3b의 상태와 같이, 하우징(100)의 상부판(110)으로부터 터치핀(200)이 돌출되도록 형상이 복원되는 것이다.
상세하게는, 리니어 액츄에이션 수단(400)이 원래의 형태로 복원되려는 복원력과, 탄성수단(300)의 탄성변형부(308)는 탄성 에너지에 의한 복원력이 동시에 작용하여 터치핀이 돌출되도록 한다.
여기서, 도 2 내지 도 6에 도시된 탄성수단(300)의 탄성변형부(308)의 표면에 리니어 액츄에이션 수단(400)가 도시되지 않고 생략되어 있지만, 모든 탄성수단(300)의 탄성변형부(308)의 표면에는, 도 7과 같이, 탄성변형부(308)의 표면에 리니어 액츄에이션 수단(400)이 구비되어 있다.
마지막으로, 본 실시예의 촉감장치의 작동에 대하여 설명하도록 한다.
하우징(100)의 외부에 구비된 커넥터(122)를 통해 리니어 액츄에이션 수단(400)에 전류가 인가되던 전류가 차단되면, 터치핀(200)들의 후단(204)에 구비된 영구자석(210)이 하우징(100)의 하부판(130)에 부착됨에 따라 하우징(100)의 상부판(110)의 관통홀(112)을 통하여 하우징(100)의 내측으로 터치핀(200)이 몰입하게 된다.
이때, 터치핀(200)의 상단이 제2위치(P2)에서 제1위치(P1)로 위치되어 하우징(100)의 내측으로 몰입됨에 따라 각 터치핀(200)과 고정적으로 관통된 탄성수단(300)들이 도 3a와 같이 탄성변형되어 탄성 에너지를 보유한다. 또한, 리니어 액츄에이션 수단(400)은 탄성수단(300)의 탄성변형과 함께 변형된다.
하우징(100)의 외부에 구비된 커넥터(122)를 통해 리니어 액츄에이션 수단(400)에 전류가 인가되면, 리니어 액츄에이션 수단(400)에는 원래의 형태로 복원되려는 복원력이 발생하게 된다.
이때, 리니어 액츄에이션 수단(400)이 원래의 형태로 복원되려는 복원력은 터치핀(200)의 후단(204)에 구비된 영구자석(210)과 하우징(100)의 하부판(130) 간의 부착력보다 크게 작용하게 된다.
따라서, 리니어 액츄에이션 수단(400)이 원래의 형태로 복원되려는 복원력에 의하여 터치핀(200)의 상단이 제1위치(P1)에서 제2위치(P2)로 위치되어 하우징(100)의 상부판(110)으로부터 돌출하게 된다.
이때, 터치핀(200)의 직선운동과 연동되어 탄성수단(300)의 탄성변형부(308)는 탄성 에너지에 의하여 복원되면서 터치핀(200)의 운동력을 증폭시킨다.
이와 같이, 리니어 액츄에이션 수단(400)의 복원력과 탄성수단(300)의 탄성 에너지에 의하여 터치핀(200)의 운동력이 증폭되므로, 리니어 액츄에이션 수단(400)의 저전력 구동이 가능하다.
또한, 리니어 액츄에이션 수단(400)의 저전력 구동에 의해서도 터치핀(200)의 고출력이 가능하므로, 본 발명의 촉감장치를 간편하게 소형화할 수 있다.
터치핀(200)의 선단(202)이 제2위치(P2)에 도달되면, 터치핀(200)의 선단(202)은 하우징(100)의 상부판(110)의 관통홀(112)을 통하여 돌출되어 사용자의 피부(10)에 접촉되며, 이에 따라 사용자는 터치핀(200)에 의한 피부(10)의 자극으로부터 촉감을 느낄 수 있다.
리니어 액츄에이션 수단(400)과 탄성수단(300)의 연동에 의해서는 터치핀(200)의 운동력에 대한 분해능을 높여 터치핀(200)의 제어성을 향상시킬 수 있고, 하우징(100)의 외부에 구비된 커넥터(122)를 통해 인가되는 전류의 주기와 세기를 제어하여 사용자에게 실감 있는 촉감을 느끼게 할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 박형 촉감장치의 구성을 나타내는 사시도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 박형 촉감장치의 구성을 나타내는 분해사시도.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 촉감장치에서 터치핀의 작동을 나타내는 구성도.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 일실시예에 따른 촉감장치에서 탄성수단의 구성을 부분적으로 나타내는 평면도.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일실시예에 따른 촉감장치에서 터치핀과 탄성수단이 조립된 상태를 나타내는 사시도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 탄성수단의 적층을 예시적으로 도시한 사시도.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 탄성수단의 표면에 리니어 액츄에이션 수단이 구비된 상태를 나타내는 사시도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100:하우징 110:상부판
112:관통홀 130:하부판
200:터치핀 202:선단
204:후단 210:영구자석
300:탄성수단 302:고정홀
304:유동홀 306:슬롯
308:탄성변형부 310:메인스페이서
320:리니어모션 가이드 322:가이드홀
400:리니어 액츄에이션 수단

Claims (12)

  1. 사용자의 피부가 접근되는 상부판과, 강자성체로 이루어진 하부판을 갖는 하우징;
    상기 하우징의 내측에 출몰할 수 있도록 장착되되, 상기 하우징의 상부판으로부터 그 선단이 돌출 시 사용자의 피부에 접촉되고, 상기 하우징의 내측으로 그 선단이 몰입 시 상기 하부판에 근접 또는 부착되는 영구자석이 후단에 구비된 터치핀;
    상기 상부판과 상기 하부판 사이에 장착되되, 상기 다수의 터치핀 중 일부와 고정적으로 관통되고, 상기 다수의 터치핀 중 나머지와 유동적으로 관통되며, 상기 고정적으로 관통된 터치핀의 영구자석이 상기 하부판에 근접 또는 부착되어 상기 터치핀의 몰입 시 탄성변형되어 탄성 에너지를 갖는 탄성수단; 및
    상기 탄성수단의 표면에 구비되되, 전류 미인가 시 상기 터치핀의 영구자석이 상기 하부판에 근접 또는 부착됨에 따라 상기 탄성수단과 함께 변형되고, 전류 인가 시 상기 터치핀의 선단이 상기 상부판으로부터 돌출되도록 상기 터치핀의 영구자석이 상기 하부판으로부터 멀어지게 상기 탄성수단과 함께 복원되는 리니어 액츄에이션 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 박형 촉감장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 리니어 액츄에이션 수단은, 형상기억합금(SMA, shape memory alloy)인 것을 특징으로 하는 박형 촉감장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 리니어 액츄에이션 수단은, 전기작동 폴리머(EAP, electro active polymer)인 것을 특징으로 하는 박형 촉감장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 리니어 액츄에이션 수단은, 전류 인가 시 부피가 줄어드는 물질 또는 전류 인가 시 휘는 물질인 것을 특징으로 하는 박형 촉감장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 리니어 액츄에이션 수단은, 전류를 인가하면 인장 또는 수축하는 피에조 물질(piezo material)인 것을 특징으로 하는 박형 촉감장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 탄성수단은,
    플레이트형상으로서, 상기 다수의 터치핀 중 일부와 고정적 관통을 위한 고정홀과, 상기 다수의 터치핀 중 나머지와 유동적 관통을 위한 유동홀이 형성되고, 상기 고정홀의 주위에 탄성변형을 위한 슬롯이 형성된 것을 특징으로 하는 박형 촉감장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 다수의 터치핀 중 나머지는,
    상기 유동홀 또는 상기 슬롯을 통해 유동적으로 관통되는 것을 특징으로 하는 박형 촉감장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 탄성수단은,
    복수개가 적층되고, 상기 복수개의 탄성수단들 사이에는 간격의 유지를 위한 메인스페이서가 각각 개재된 것을 특징으로 하는 박형 촉감장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 각각의 탄성수단은,
    상기 슬롯의 형성에 의하여 상기 고정홀의 주위에 일점 지지되는 탄성변형부가 형성되고, 상기 각각의 고정홀을 중심으로 상기 탄성변형부가 등간격을 이루도록 형성된 것을 특징으로 하는 박형 촉감장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 하우징의 상부판은,
    상기 터치핀들이 통과될 수 있는 관통홀이 형성된 것을 특징으로 하는 박형 촉감장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 터치핀의 운동을 직선운동으로 안내할 수 있도록 상기 하우징의 내측에 장착된 리니어모션 가이드를 더 구비하고, 상기 리니어모션 가이드는 상기 터치핀이 안내되도록 끼워지는 가이드홀이 형성된 것을 특징으로 하는 박형 촉감장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 리니어 액츄에이션 수단의 복원력은, 상기 터치핀의 영구자석이 상기 하부판에 근접되는 근접력 또는 부착되는 부착력보다 큰 것을 특징으로 하는 박형 촉감장치.
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