KR100916928B1 - 핸드헬드 기기의 촉감생성 장치 - Google Patents

핸드헬드 기기의 촉감생성 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 핸드헬드 기기의 촉감생성 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 핸드헬드 기기를 사용할 때 상황에 맞는 촉감을 발생시켜 입력을 보다 정확하게 할 수 있고 상황을 직감적으로 파악할 수 있는 핸드헬드 기기의 촉감생성 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 핸드헬드 기기의 촉감생성 장치는 핸드헬드 기기의 하우징에 장착하기 위한 장착부와, 일단이 장착부에 고정되어서 인가된 전압에 따라 인장 또는 압축하는 복수의 압전소자와, 압전소자의 타단에 고정되어서 압전소자의 인장 또는 압축에 의해 이동하는 복수의 관성 질량체와, 하우징의 전원에 연결되어서 압전소자에 인가되는 전압을 조절할 수 있는 제어부를 포함한다.
압전소자, 핸드헬드, 햅틱, 촉각 피드백, 가상의 힘, 촉감 생성

Description

핸드헬드 기기의 촉감생성 장치{APPARATUS FOR GENERATING A TACTILE SENSATION IN HANDHELD DEVICES}
본 발명은 핸드헬드 기기의 촉감생성 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 핸드헬드 기기를 사용할 때 상황에 맞는 촉감을 발생시켜 입력을 보다 정확하게 할 수 있고 상황을 직감적으로 파악할 수 있는 핸드헬드 기기의 촉감생성 장치에 관한 것이다.
모바일 폰, PDA, 게임 컨트롤러, PMP(personal multimedia player) 등의 핸드헬드 기기에서는 시각에 의해서 정확한 조작 또는 상황을 인식하는 것은 매우 어렵다. 따라서, 이러한 문제점을 극복하기 위해서 최근에는 촉각정보를 사용자에게 전달하는 방식에 대한 개발이 이루어지고 있다.
종래의 촉감생성 장치로서, 임머션의 바이브톤즈(VibeTonz by the Immersion, Co.) 및 엔티티의 팬텀-드로운(Phantom-DRAWN by the NTT)가 대표적이다. 바이브톤즈에 사용되는 액츄에이터는 편심 회전자와 모터로 구성되어, 편심 회전자의 회전에 의해서 진동을 발생시킨다. 하지만, 바이브톤즈에 의한 진동은 방향성이 없으므로 다양한 패턴의 진동을 생성하는데 한계가 있다.
도 1은 종래의 팬텀-드론 시스템의 평면도 및 정면도이고, 도 2는 종래의 팬텀-드론 시스템의 동작을 설명하기 위한 개략도이다.
팬텀-드론 시스템은 질량의 비대칭 가속도 운동에 의해 특정 방향의 가상의 힘 벡터(directional virtual force vector)를 생성하는 메커니즘이다. 팬텀-드론 시스템은 가상의 힘 디스플레이, CPU, 및 모터 증폭기로 구성된다. 도 1에 도시한 바와 같이, 가상의 힘 디스플레이는 BLDC(Brushless DC Motor, a)와, DC 모터(a)와 연결되어 회전하는 크랭크(b)와, 일단이 크랭크(b)와 연결되어 있는 제1 커넥팅 로드(c)와, 제1 커넥팅 로드(c)의 타단과 연결되어 있는 제2 커넥팅 로드(d)와, 제2 커넥팅 로드(d)의 타단에 결합되고 질량을 갖는 슬라이더(e)를 포함한다. 가상의 힘 디스플레이는 제어신호에 의해 DC 모터(a)가 회전을 함에 따라 크랭크(b)가 회전한다. 크랭크(b)가 회전함에 따라 제1 커넥팅 로드(b)의 일단이 회전하고, 제1 및 제2 커넥팅 로드(b, c)는 도 2에 도시한 바와 같이 작동하여 슬라이더(e)를 왕복운동시킨다. 슬라이더(e)의 왕복운동에 의해 가상의 힘 디스플레이는 진동하여 가상의 힘을 발생시킨다.
하지만, 제1 및 제2 커넥팅 로드의 운동에 의해 의도하지 않은 방향의 힘을 발생시킬 수 있으므로 고품질의 촉감을 생성하지 못하는 문제점이 있다. 또한, 종래의 가상의 힘 디스플레이는 DC모터와 제1 및 제2 커넥팅 로드를 포함하므로 소형화 및 경량화를 달성하는데 한계가 있다.
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 방향성 있는 촉감을 사용자에게 전달할 수 있는 핸드헬드 기기의 촉감 생성장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 핸드헬드 기기의 촉감생성 장치는 핸드헬드 기기의 하우징에 장착하기 위한 장착부와, 일단이 장착부에 고정되어서 인가된 전압에 따라 인장 또는 압축하는 복수의 압전소자와, 압전소자의 타단에 고정되어서 압전소자의 인장 또는 압축에 의해 이동하는 복수의 관성 질량체를 포함한다.
바람직하게는, 압전소자는 복수의 압전소자가 적층되어 있는 적층형 압전소자 또는 바이모프(bimorph)형 압전소자이다.
제어부는 관성 질량체의 인장방향의 가속도와 압축방향의 가속도가 비대칭이 되도록 압전소자에 인가되는 전압을 조절함으로써 관성 질량체의 운동에 의한 관성기반의 촉감을 생성한다.
제어부는 관성 질량체의 인장방향의 가속도와 압축방향의 가속도가 대칭이 되도록 압전소자에 인가되는 전압을 조절함으로써 관성 질량체가 운동하는 직선상의 진동감을 생성한다.
제어부는 압전소자가 인장 또는 압축한 이후에 소정의 시간 동안 인장 또는 압축한 상태를 유지하도록 압전소자에 인가되는 전압을 인가함으로써 인장방향 또 는 압축방향의 충격감을 생성한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 촉감생성 장치는 장착부, 압전소자 및 관성 질량체를 관성 질량체가 이동하는 궤적에 따라 위치와 방향을 다르게 배치함으로써 임의의 방향의 촉감을 생성한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 촉감생성 장치는 상기 복수의 관성 질량체의 배치형태, 중량, 가속도를 다양하게 변화시킴으로써 다양한 패턴의 촉감을 생성한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 핸드헬드 기기의 촉감 생성장치에 의하면, 압전소자와 관성 질량체에 의해 방향성이 있는 촉감을 전달함으로써 사용자가 정확한 입력을 하였는지 직감할 수 있다. 또한, 제어부는 의해 압전소자에 인가되는 전압에 따라 관성 질량체의 인장하는 가속도와 압축하는 가속도를 조절함으로써 일방향의 촉감, 일직선상의 진동감 또는 일방향의 충격감을 사용자에게 전달할 수 있다. 게다가, 압전소자와 관성 질량체를 관성 질량체의 이동 궤적에 따라 배치하여 압전소자에 인가되는 전압을 조절함으로써 임의의 연속성을 갖는 궤적을 따라 이동하는 촉감을 생성할 수 있다. 뿐만 아니라, 핸드헬드 기기에 압전소자와 관성 질량체가 결합한 구조로 인해서, 초소형의 핸드헬드 기기에 적용될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 핸드헬드 기기의 촉감 생성장치를 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 핸드헬드 기기의 촉감 생성장치의 개략 도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 핸드헬드 기기의 촉감 생성장치(100)는 핸드헬드 기기의 하우징(140, 도 9 참조)에 장착하기 위한 장착부(110)와, 일단이 장착부(110)에 고정되어서 인가된 전압에 따라 인장 또는 압축하는 복수의 압전소자(120)와, 압전소자(120)의 타단에 고정되어서 압전소자(120)의 인장 또는 압축에 의해 이동하는 복수의 관성 질량체(130)와, 하우징(140, 도 9 참조)의 전원에 연결되어서 압전소자(120)에 인가되는 전압을 조절할 수 있는 제어부(도시하지 않음)를 포함한다.
장착부(110)는 핸드헬드 기기의 하우징(140)에 장착된다. 장착부(110)는 관성 질량체(130)의 이동에 의해 촉감이 생성되며, 이 촉감을 하우징(140)에 전달한다.
압전소자(120)의 일단에는 장착부(110)에 고정되어 있으며, 그 타단에는 관성 질량체(130)에 고정되어 있다. 압전소자(120)는 인가된 고주파 전압에 의해 인장 또는 압축하므로 자체의 변위를 갖는다. 또한, 제어부는 압전소자(120)에 인가되는 전압의 주파수, 진폭 또는 위상을 적절히 조절함으로써 압전소자(120)가 인장 또는 압축하는 가속도를 조절할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 복수의 압전소자가 적층되어 있는 적층형 압전소자가 채용될 수 있다. 적층형 압전소자를 사용하는 경우에, 인가 전압에 따른 역압전효과를 극대화하여, 인장 또는 압축하는 변위를 크게 할 수 있다. 따라서, 큰 촉감을 발생시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에서 바이모프(bimorph)형 압전소자가 사용될 수 있다.
관성 질량체(130)는 압전소자(120)가 인장 또는 압축함에 따라 인장방향 또는 압축방향으로 이동가능하며, 핸드헬드 기기의 종류에 따라 적절한 질량을 갖는다. 하지만, 일반적으로 관성 질량체(130)의 중량이 하우징(140)의 중량보다 크지는 않다.
제어부는 압전소자(120)에 인가되는 전압을 조절함으로써 압전소자(120)가 압축 또는 인장하는 가속도를 변화시킬 수 있다. 압전소자(120)가 압축 또는 인장하는 가속도의 변화에 따른 관성 질량체(130)의 운동 및 그에 의해 생성되는 촉감에 대해서는 이하의 작동에 대한 설명을 참조한다.
이하, 도 4 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 핸드헬드 기기의 촉감 생성장치의 작동에 대한 설명을 한다.
도 4는 도 3의 촉감 생성장치의 인장방향의 촉감을 설명하기 위한 개략도이고, 도 5는 도 3의 촉감 생성장치의 압축방향의 촉감을 설명하기 위한 개략도이다. 이하의 도면에서, 압전소자(120)의 상단에 표시된 양방향의 화살표는 압전소자(120)가 인장 또는 압축하는 방향을 나타내며, 관성 질량체(130)의 상단에 표시된 화살표는 관성 질량체(130)가 이동하는 방향을 나타낸다. 그리고, 장착부(110)의 상단에 표시된 화살표는 사용자가 느낄 수 있는 촉감의 방향을 나타낸다(하지만, 사용자는 점선으로 표시된 화살표 방향의 힘은 느끼기 못함).
도 4에 도시한 바와 같이, 제어부는 압전소자(120)가 급격하게 인장하도록 압전소자(120)에 전압을 인가한다. 장착부(110)는 하우징(140)에 고정되어 있으며, 관성 질량체(130)는 압전소자(120)의 인장에 의해 가속도를 가지고 인장방향으 로 급격하게 이동한다. 그 후에, 제어부는 압전소자(120)가 완만하게 압축하도록 압전소자(120)에 전압을 인가한다. 관성 질량체(130)는 압전소자(120)의 압축에 의해 가속도를 가지고 압축방향으로 완만하게 이동한다. 여기서, 관성 질량체(130)의 인장방향의 가속도가 압축방향의 가속도보다 크다. 압전소자(120)의 인장과 압축을 빠르게 반복함으로써 관성 질량체(130)의 운동에 의해 발생한 관성을 하우징에 전달하여 사용자는 관성 질량체(130)의 인장방향과 반대방향의 촉감을 느낄 수 있다. 이러한 현상을 순시적 마스킹(temporal masking)이라고 한다. 순시적 마스킹을 본 발명에 맞게 설명하면, 관성 질량체(130)의 인장 방향의 빠른 가속도 움직임에 따라 생성되는 촉감이 압축 방향으로 생성되는 촉감보다 크고, 반복되는 속도가 충분히 빠른 경우에 사용자는 큰 촉감만을 느끼고 상대적으로 작은 촉감은 느끼지 못하는 것이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 제어부는 압전소자(120)가 급격하게 압축하도록 압전소자(120)에 전압을 인가한다. 장착부(110)는 하우징에 고정되어 있으며, 관성 질량체(130)는 압전소자(120)의 압축에 의해 가속도를 가지고 압축방향으로 급격하게 이동한다. 그 후에, 제어부는 압전소자(120)가 완만하게 인장하도록 압전소자(120)에 전압을 인가한다. 관성 질량체(130)는 압전소자(120)의 인장에 의해 가속도를 가지고 인장방향으로 완만하게 이동한다. 여기서, 관성 질량체(130)의 압축방향의 가속도가 인장방향의 가속도보다 크다. 압전소자(120)의 인장과 압축을 빠르게 반복함으로써 관성 질량체(130)의 운동에 의해 발생한 관성을 하우징에 전달하여 사용자는 관성 질량체(130)의 압축방향과 반대 방향의 촉감을 느낄 수 있 다.
도 6은 도 3의 촉감 생성장치의 진동을 설명하기 위한 개략도이다.
도시한 바와 같이, 제어부는 압전소자(120)가 급격하게 인장하도록 압전소자(120)에 전압을 인가한다. 장착부(110)는 하우징에 고정되어 있으며, 관성 질량체(130)는 압전소자(120)의 인장에 의해 가속도를 가지고 인장방향으로 급격하게 이동한다. 그 후에, 제어부는 압전소자(120)가 급격하게 압축하도록 압전소자(120)에 전압을 인가한다. 장착부(110)는 하우징에 고정되어 있으며, 관성 질량체(130)는 압전소자(120)의 압축에 의해 가속도를 가지고 압축방향으로 급격하게 이동한다. 여기서, 관성 질량체(130)의 압축방향의 가속도와 인장방향의 가속도는 동일하다. 압전소자(120)의 인장과 압축을 빠르게 반복함으로써 관성 질량체(130)의 운동에 의해 발생한 관성을 하우징에 전달하여 사용자는 관성 질량체(130)가 운동하는 직선상의 진동감을 느낄 수 있다. 하지만, 왕복의 진동감의 발생시에 압전소자(120)가 먼저 압축을 하고 그 후에 인장을 하는 것도 가능하다.
도 7 및 도 8은 도 3의 촉감 생성장치의 압축방향 또는 인장방향의 충격감을 설명하기 위한 개략도이다.
도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이, 제어부는 압전소자(120)가 급격하게 인장 또는 압축하도록 압전소자(120)에 전압을 인가한다. 장착부(110)는 하우징에 고정되어 있으며, 관성 질량체(120)는 인장방향 또는 압축방향으로 급격하게 이동한다. 그 후에, 제어부는 압전소자(120)가 급격하게 인장 또는 압축한 상태를 소정의 시간 동안 유지하도록 압전소자(120)에 전압을 인가한다. 따라서, 관성 질량체(130) 는 인장방향 또는 압축방향으로 급격하게 이동하다가 정지하여 소정의 시간 동안 유지된다. 그 결과, 관성 질량체(130)의 운동에 의해 발생한 관성을 하우징에 전달함으로써 사용자는 관성 질량체(130)가 인장방향 또는 압축방향으로 이동하다가 정지하는 충격감을 느낄 수 있다.
도 9는 도 3의 촉감 생성장치가 핸드헬드 기기에 배치되는 형태를 보인 개략도이다.
도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 핸드헬드 기기의 촉감 생성장치(100)는 핸드헬드 기기의 하우징(140)내에서 여러 방향으로 배치될 수 있다. 따라서, 이러한 배치에 따라 다양한 방향의 촉감을 생성할 수 있다. 또한, 압전소자(120) 및 관성 질량체(130)를 관성 질량체(130)가 이동하는 궤적에 따라 배치하여 압전소자(120)에 인가되는 전압을 조절함으로써 임의의 방향의 연속성을 갖는 촉감을 생성시킬 수 있다.
복수의 관성 질량체(130)의 배치형태, 중량, 가속도를 다양하게 변화시킴으로써 다양한 패턴의 촉감을 생성할 수 있다. 즉, 하나의 장착부(110)에 복수개의 압전소자(120) 및 관성 질량체(130)가 배치될 수 있으며, 각 관성 질량체(130)의 중량은 서로 같거나 다를 수 있다. 이로 인해서, 다양한 패턴의 촉감을 생성하는 것이 가능해진다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가 진 자에게 있어서 명백할 것이다.
도 1은 종래의 팬텀-드론 시스템의 평면도 및 정면도이다.
도 2는 종래의 팬텀-드론 시스템의 동작을 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 핸드헬드 기기의 촉감 생성장치의 개략도이다.
도 4는 도 3의 촉감 생성장치의 인장방향의 촉감을 설명하기 위한 개략도이고, 도 5는 도 3의 촉감 생성장치의 압축방향의 촉감을 설명하기 위한 개략도이다.
도 6은 도 3의 촉감 생성장치의 진동을 설명하기 위한 개략도이다.
도 7 및 도 8은 도 3의 촉감 생성장치의 압축방향 또는 인장방향의 충격감을 설명하기 위한 개략도이다.
도 9는 도 3의 촉감 생성장치가 핸드헬드 기기에 배치되는 형태를 보인 개략도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110 : 장착부 120 : 압전소자
130 : 관성 질량체 140 : 하우징

Claims (8)

  1. 핸드헬드 기기의 하우징에 장착하기 위한 장착부와,
    일단이 상기 장착부에 고정되어서 인가된 전압에 따라 인장 또는 압축하는 복수의 압전소자와,
    상기 압전소자의 타단에 고정되어서 상기 압전소자의 인장 또는 압축에 의해 이동하는 복수의 관성 질량체와,
    상기 하우징의 전원에 연결되어서 상기 압전소자에 인가되는 전압을 조절할 수 있는 제어부를 포함하는
    핸드헬드 기기의 촉감 생성장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 압전소자는 복수의 압전소자가 적층되어 있는 적층형 압전소자인
    핸드헬드 기기의 촉감 생성장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 압전소자는 바이모프(bimorph)형 압전소자인
    핸드헬드 기기의 촉감 생성장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어부는 상기 관성 질량체의 인장방향의 가속도와 압축방향의 가속도가 비대칭이 되도록 상기 압전소자에 인 가되는 전압을 조절함으로써 관성 질량체의 운동에 의한 촉감을 생성하는
    핸드헬드 기기의 촉감 생성장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어부는 상기 관성 질량체의 인장방향의 가속도와 압축방향의 가속도가 대칭이 되도록 상기 압전소자에 인가되는 전압을 조절함으로써 상기 관성 질량체가 운동하는 직선상의 진동감을 생성하는
    핸드헬드 기기의 촉감 생성장치.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어부는 상기 압전소자가 인장 또는 압축한 이후에 소정의 시간 동안 상기 인장 또는 압축한 상태를 유지하도록 상기 압전소자에 인가되는 전압을 인가함으로써 인장방향 또는 압축방향의 충격감을 생성하는
    핸드헬드 기기의 촉감 생성장치.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장착부, 압전소자 및 상기 관성 질량체를 상기 관성 질량체가 이동하는 궤적에 따라 위치와 방향을 다르게 배치함으로써 임의의 방향의 연속성을 갖는 촉감을 생성하는
    핸드헬드 기기의 촉감 생성장치.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 관성 질량체의 배치형태, 중량, 가속도를 다양하게 변화시킴으로써 다양한 패턴의 촉감을 생성하는
    핸드헬드 기기의 촉감 생성장치.
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