KR101006367B1 - 촉각정보 입출력 장치 및 이를 이용한 촉각정보 입출력 방법 - Google Patents

촉각정보 입출력 장치 및 이를 이용한 촉각정보 입출력 방법 Download PDF

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Abstract

촉각정보 입출력 장치는 베이스 플레이트, 슬라이더 패드, 위치검출 전극, 구동 전극 및 자극부를 포함한다. 상기 슬라이더 패드는 상기 베이스 플레이트 상에서 다자유도로 운동 가능하다. 상기 위치검출 전극은 상기 베이스 플레이트에 위치하며 상기 베이스 플레이트에 대한 상기 슬라이더 패드의 상대 변위를 측정한다. 상기 구동 전극은 상기 베이스 플레이트에 위치하며 상기 베이스 플레이트와 상기 슬라이더 패드 사이의 마찰력을 정전기적으로 조절한다. 상기 자극부는 상기 베이스 플레이트 하부에 위치하며, 상기 베이스 플레이트 및 상기 슬라이더 패드를 관통하도록 돌출된 다수개의 자극 구조물들을 갖는다.

Description

촉각정보 입출력 장치 및 이를 이용한 촉각정보 입출력 방법{Tactile information transceiver and method of inputting and outputting tactile information using the same}
본 발명은 미소기전집적시스템(Micro Electro Mechanical Systems, MEMS) 기술에 의하여 제조되는 촉각정보 입출력 장치 및 이를 이용한 촉각정보 입출력 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 다자유도를 갖는 박막형 슬라이더 패드 및 이를 통하여 촉각 자극을 제공할 수 있는 기계/전기적 자극장치를 포함하는 촉각정보 입출력 장치 및 이를 이용한 촉각정보 입출력 방법에 관한 것이다.
다중정보의 중요성이 대두되는 정보화시대에 있어서 촉각정보 입출력 장치는 휴대폰, PDA, 노트북 등 디지털 기기의 정보 입출력 방식의 하나로 사용될 수 있다. 구체적으로, 촉각정보 입출력 장치는 터치스크린(Touch Screen)과 터치패드(Touch Pad) 등에서 사용될 수 있다. 그러나, 종래의 촉각정보 입출력 장치는 촉각정보의 입력은 가능하나 출력에는 한계를 가지고 있어 촉각정보의 출력이 가능한 정보장치에 대한 개발이 요구되고 있다.
최근에는 기계적인 Pin 어레이를 이용하여 피부에 촉각자극을 줄 수 있는 기 술이 개발되었다. 이와 관련한 선행기술은 미국특허공개공보 제2008/0206722호에 개시되어 있다. 이는 기계적 Pin 어레이를 휴대폰에 장착하여 손가락에 촉각정보를 출력하고자 하였으나 정보 입력은 불가하다는 한계를 가지고 있다. 이와 달리 미국특허공보 제7,339,574호에 개시된 기술은 Pin 어레이 출력장치에 위치인식이 가능한 로봇팔을 장착하여 출력장치의 변위에 따른 출력정보 변환이 가능한 마우스 형태의 촉각정보 입출력장치를 제안하였다. 이는 정보 입출력이 가능하다는 장점이 있으나 로봇팔로 인해 휴대성과 가격 경쟁력이 떨어진다는 한계를 가지고 있다.
한편 Avago Technology사는 미국특허공개공보 제2007/0091066을 통해 슬라이더 패드를 통한 정보 입력 장치를 제안하였는데 이는 제한된 공간에서 정보 입력을 가능하게 하는 박막형 기술을 제공하고 있으나 촉각정보의 출력은 불가능하다는 점에서 여전히 한계를 가지고 있다.
본 발명의 목적은 사용자로부터 촉각 정보를 입력할 수 있으며 입력된 촉각정보를 가공하여 촉각정보를 출력할 수 있는 촉각정보 입출력 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상술한 촉각정보 입출력 장치를 이용하여 촉각정보 입출력하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 촉각정보 입출력 장치는 베이스 플레이트, 슬라이더 패드, 위치검출 전극, 구동 전극 및 자극부를 포함한다. 상기 슬라이더 패드는 상기 베이스 플레이트 상에서 다자유도로 운동 가능하다. 상기 위치검출 전극은 상기 베이스 플레이트에 위치하며 상기 베이스 플레이트에 대한 상기 슬라이더 패드의 상대 변위를 측정한다. 상기 구동 전극은 상기 베이스 플레이트에 위치하며 상기 베이스 플레이트와 상기 슬라이더 패드 사이의 마찰력을 정전기적으로 조절한다. 상기 자극부는 상기 베이스 플레이트 하부에 위치하며, 상기 베이스 플레이트 및 상기 슬라이더 패드를 관통하도록 돌출된 다수개의 자극 구조물들을 갖는다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 슬라이더 패드는 다수개의 탄성체들에 연결되어 상기 슬라이더 패드의 상대 변위에 비례하는 횡방향 힘을 사용자의 피부에 제공할 수 있다. 상기 탄성체들은 상기 상대 변위에 따라 탄성을 비선형적으로 변화시킬 수 있는 가변 탄성체 구조를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 촉각정보 입출력 장치는 상기 베이스 플레이트 상에 배치되며 상기 슬라이더 패드를 수용하고 지지하는 프레임을 더 포함할 수 있다.
이 경우에 있어서, 상기 탄성체들은, 상기 슬라이더 패드와 상기 프레임에 연결되는 제1 탄성체 및 상기 슬라이더 패드와 상기 프레임 중 어느 하나에 연결되고 다른 하나로부터 이격되어 있는 제2 탄성체를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 슬라이더 패드는 제1 도전 패턴을 포함하며 상기 구동 전극은 상기 제1 도전 패턴에 대응하여 상기 베이스 플레이트와 상기 슬라이더 패드 사이에 정전기력을 발생시키기 위한 제2 도전 패턴을 포함하고, 상기 베이스 플레이트와 상기 슬라이드 패드 사이의 마찰력은 가변적으로 조절될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 위치검출 전극은 적어도 2개의 전극들을 포함하며 상기 슬라이더 패드는 상기 2개의 전극들에 대응하는 적어도 하나의 전극을 포함하고, 상기 슬라이더 패드의 수직 방향, 수평 방향 또는 수직 및 수평 방향의 움직임, 또는 틸팅이 측정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 자극부는 사용자의 피부에 접촉하는 일단부를 갖는 기둥 형태의 다수개의 자극 구조물들 및 상기 자극 구조물들을 구동하기 위한 구동기를 포함할 수 있다. 상기 구동기는 압전 구동기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 촉각정보 입출력 장치는 상기 상대 변 위에 기초하여 촉각 자극 패턴을 생성하여 상기 자극부에 전달하는 연산장치를 더 포함할 수 있다.
이 경우에 있어서, 상기 연산장치는 상기 슬라이더 패드의 운동 방향 정보에 기초하여 그래픽 유저 인터페이스 상의 커서의 위치를 제어하는 커서 위치 제어부 및 상기 커서의 위치에 따른 컨텐츠를 기반으로 다양한 촉각 자극 패턴을 생성하기 위한 컨텐츠 분석부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 촉각정보 입출력 장치는 촉각정보 기반 컴퓨터 인터페이스로 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 촉각정보 입출력 장치는 인체의 피부에 장착될 수 있다.
상기 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 촉각정보 입출력 방법에 있어서, 사용자가 베이스 플레이트 상에서 다자유도로 운동 가능한 슬라이더 패드를 접촉하여 촉각 정보를 입력한다. 상기 입력 정보에 의한 상기 베이스 플레이트에 대한 상기 슬라이더 패드의 상대 변위를 측정한다. 상기 상대 변위에 기초하여 촉각 자극 패턴을 생성한다. 상기 촉각 자극 패턴에 기초하여 상기 베이스 플레이트 및 상기 슬라이더 패드를 관통하는 다수개의 자극 구조물들을 구동시켜 상기 슬라이더 패드 상의 사용자의 피부에 제1 촉각 정보를 출력한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 촉각정보 입출력 방법은 상기 베이스 플레이트와 상기 슬라이더 패드 사이의 마찰력에 기초하여 상기 슬라이더 패드 상에 접촉하고 있는 상기 사용자의 피부에 횡방향으로 제2 촉각 정보를 출력하는 단 계를 더 포함할 수 있다.
이 경우에 있어서, 상기 제2 촉각 정보를 출력하는 단계는 상기 베이스 플레이트와 상기 슬라이더 패드 사이의 마찰력을 정전기적으로 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 촉각정보 입출력 방법은 상기 제1 촉각 정보와 상기 제2 촉각 정보를 조합하여 사용자의 피부에 다양한 형태의 촉각 자극을 출력할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 상대 변위에 기초하여 자극 패턴을 생성하는 단계는 상기 슬라이더 패드의 운동 방향과 속도에 기초하여 순차적인 자극 패턴을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 상대 변위에 기초하여 자극 패턴을 생성하는 단계는 상기 슬라이더 패드의 운동 방향 정보에 기초하여 그래픽 유저 인터페이스 상의 커서의 위치를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
이 경우에 있어서, 상기 상대 변위에 기초하여 자극 패턴을 생성하는 단계는 상기 커서의 위치에 따른 컨텐츠를 기반으로 다양한 촉각 자극 패턴을 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 촉각정보 입출력 장치 및 방법에 따르면, 사용자의 피부에 가해지는 횡방향 힘에 의한 피부의 변형과 접촉면의 진동에 의한 피부의 진동을 인공적으로 동시에 구현하여 가상의 촉각정보를 생성할 수 있다. 또 한, 인공 점자 및 트랙 포인트와 같은 피부 접촉형 정보 입출력 장치에서 사용자의 촉각정보를 입력시키고 이를 가공하여 촉각정보를 출력할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 촉각정보 입출력 장치 및 촉각정보 입출력 방법에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 기재된 경우, 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 또 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이 다. 반면, 어떤 구성요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어"있다거나 "직접 접속되어"있다고 기재된 경우에는, 중간에 또 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 예를 들면, "~사이에"와 "직접 ~사이에"또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는" 등도 마찬가지로 해석될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 촉각정보 입출력 장치를 나타내는 분해 사시도이다.
도 1을 참조하면, 촉각정보 입출력 장치(10)는 베이스 플레이트(100), 슬라이더 패드(200), 위치 검출부(300), 구동부(400) 및 자극부(500)를 포함할 수 있다. 슬라이더 패드(200)는 베이스 플레이트(100) 상에서 다자유도로 운동 가능하다. 위치 검출부(300)는 베이스 플레이트(100)에 대한 슬라이더 패드(200)의 상대 변위를 측정한다. 구동부(400)는 베이스 플레이트(100)와 슬라이더 패드(200) 사이의 마찰력을 조절한다. 자극부(500)는 슬라이더 패드(200)의 표면 상으로 자극 패턴을 출력한다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 촉각정보 입출력 장치(10)는 손가락 등의 피부에 접촉하여 촉각정보를 입력 및 출력할 수 있다. 이와 다르게, 촉각정보 입출력 장치(10)는 인체의 피부에 장착되어 촉각정보를 입력 및 출력할 수 있다.
위치 검출부(300)는 베이스 플레이트(100)에 위치할 수 있다. 위치 검출부(300)는 베이스 플레이트(100)에 대한 슬라이더 패드(200)의 상대 변위를 측정하는 위치검출 전극(310)을 포함할 수 있다.
구동부(400)는 베이스 플레이트(100)에 위치할 수 있다. 구동부(400)는 베이스 플레이트(100)와 슬라이더 패드(200) 사이의 마찰력을 정전기적으로 조절하는 구동 전극(410)을 포함할 수 있다.
자극부(500)는 베이스 플레이트(100) 하부에 위치할 수 있다. 자극부(500)는 베이스 플레이트(100) 및 슬라이더 패드(200)를 관통하도록 돌출 형성된 다수개의 자극 구조물(510)들을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 베이스 플레이트(100) 상에는 슬라이더 패 드(200)를 수용하고 지지하기 위한 프레임(210)이 배치될 수 있다. 슬라이더 패드(200)는 하나 이상의 탄성체(220)에 의해 프레임(210)에 연결될 수 있다. 또한, 탄성체(220)는 슬라이드 패드(200)의 변위를 제한하기 위한 스토퍼(222)를 포함할 수 있다.
따라서, 사용자는 슬라이더 패드(200)를 베이스 플레이트(100) 상에서 다자유도로 이동시킬 수 있게 된다. 사용자가 슬라이더 패드(200)를 손가락으로 접촉하여 이동시키면 탄성체(220)의 변형에 의한 복원력이 횡방향으로 사용자의 피부에 전달된다.
위치검출 전극(310)은 베이스 플레이트(100)에 위치하여 베이스 플레이트(100)에 대한 슬라이더 패드(200)의 상대 변위를 측정한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 위치검출 전극(310)은 4등분된 형태의 4개의 전극들(310a, 310b, 310c, 310d, 도 6a 참조)을 포함할 수 있다. 또한, 슬라이더 패드(200)의 하부면에는 위치검출 전극(310)에 대응하는 위치에 4개의 전극들(310a, 310b, 310c, 310d)과 겹쳐지는 하나의 이동 전극(230, 도 6b 참조)이 배치될 수 있다. 이에 따라, 위치검출 전극(310)은 슬라이더 패드(200)의 위치에 따른 4개의 전극들(310a, 310b, 310c, 310d)과 이동 전극(230) 간의 전하량의 상대적인 차이에 의해 슬라이더 패드(200)의 위치를 검출하게 된다.
구동 전극(400)은 베이스 플레이트(100)에 위치하여 베이스 플레이트(100)와 슬라이더 패드(200) 사이의 마찰력을 정전기적으로 조절한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 구동 전극(400)은 베이스 플레이트(100) 상 에 소정의 패턴 형상을 갖는 제1 도전 패턴일 수 있다. 또한, 슬라이더 패드(200)는 상기 제1 도전 패턴에 대응하여 제2 도전 패턴(240, 도 3a 참조)을 가질 수 있다.
구동 전극(410)에 전압이 인가되면 슬라이더 패드(200)의 제2 도전 패턴(240)과 구동 전극(410) 사이의 정전기적 인력이 발생하여 베이스 플레이트(100)와 슬라이더 패드(200) 사이의 마찰력을 증가시키게 된다.
자극부(500)는 베이스 플레이트(100) 하부에 위치한다. 자극부(500)는 상부로 돌출된 다수개의 자극 구조물(510)들을 갖는다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 자극부(500)는 베이스 플레이트(100) 하부에 배치되는 지지 플레이트(520)를 포함할 수 있다. 베이스 플레이트(100)는 지지 플레이트(520)에 의해 지지될 수 있다. 또한, 자극 구조물(510)들은 지지 플레이트(520)의 상부면으로부터 상부로 돌출 형성될 수 있다.
슬라이더 패드(200)는 돌출된 자극 구조물(510)들에 대응하는 다수개의 제1 관통홀(202)들을 구비하고, 베이스 플레이트(100)는 돌출된 자극 구조물(510)들에 대응하는 다수개의 제2 관통홀(102)들을 구비할 수 있다. 따라서, 자극 구조물(510)들은 지지 플레이트(520)의 상부면으로부터 돌출하여 베이스 플레이트(100) 및 슬라이더 패드(200)를 관통하게 된다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 다수개의 자극 구조물(510)들은 지지 플레이트(520) 상에서 소정의 어레이 패턴을 형성할 수 있다. 예를 들면, 자극 구조물(510)들은 mㅧ n 행렬(여기서, m과 n은 자연수)로 배열될 수 있다. 또한, 자극 구조물(510)은 다각형 또는 원형 단면을 갖는 기둥 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 자극부(500)는 자극 구조물(510)을 구동시키기 위한 구동기를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 구동기는 압전 구동기일 수 있다.
따라서, 자극 구조물(510)들은 상기 구동기에 의해 구동되어 슬라이더 패드(200)의 표면 방향으로 소정의 정보를 갖는 진동자극 패턴을 인가하여 사용자의 피부에 전달하게 된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 슬라이드 패드(200)의 상부면 상에는 차단막이 형성될 수 있다. 상기 차단막은 유연한 절연 물질로 형성되어 슬라이드 패드(200)를 외부로부터 보호할 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각정보 입출력 장치의 구동방법을 나타내는 단면도들이다. 도 2a 및 도 2b는 슬라이더 패드(200)의 이동에 따라 손가락에 가해지는 횡방향 힘의 상관관계를 나타낸다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 슬라이더 패드(200)를 손가락으로 접촉하여 이동시키면 상기 탄성체의 변형에 의한 복원력이 횡방향으로 피부에 전달된다. 이 때, 이동거리에 따라 손가락에 출력되는 횡방향 힘은 수학식 1과 같다.
Figure 112009021755755-pat00001
여기서, f는 슬라이더 패드(200)가 피부에 정지 마찰력의 형태로 전달하는 횡방향 힘이며, μ는 슬라이더 패드(200)와 베이스 플레이트(100) 사이의 마찰계수 이고, N은 손가락이 슬라이더 패드(200)를 누르는 힘이며, k는 다수개의 탄성체(220)들이 갖는 탄성계수이며, x는 손가락의 이동 거리이다. 수학식 1이 나타내는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 슬라이더 패드(200)는 손가락의 이동 거리에 비례하는 횡방향 힘을 출력하게 된다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 촉각정보 입출력 장치의 구동방법을 나타내는 단면도들이다. 도 3a 및 도 3b는 슬라이더 패드(200)와 베이스 플레이트(100) 사이의 정전기력과 슬라이더 패드(200)의 운동과의 상관관계를 나타낸다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 구동 전극(410)에 전압이 인가되면 슬라이더 패드(200)의 제2 도전 패턴(240)과 구동 전극(410) 사이의 정전기적 인력이 발생하여 베이스 플레이트(100)와 슬라이더 패드(200) 사이의 마찰력을 증가시키게 된다. 이에 따라, 슬라이더 패드(200)의 운동에 있어 마찰력을 증가시키는 효과가 발생하게 된다. 이 때, 인가되는 전압과 이에 따른 손가락에 출력되는 횡방향 힘은 수학식 2와 같다.
Figure 112009021755755-pat00002
여기서, ε은 유전율이며, A는 전극의 면적, V는 인가되는 전압 그리고 g는 전극 간 거리를 의미한다. 수학식 2가 나타내는 바와 같이, 구동 전극(410)에 전압이 인가되면 슬라이더 패드(200)와 베이스 플레이트(100) 사이의 마찰력이 인가전 압의 제곱에 비례하여 증가함을 알 수 있다.
본 발명에 따르면, 베이스 플레이트(100)와 슬라이더 패드(200) 사이의 마찰력은 구동 전극(410)에 의해 가변적으로 조절될 수 있다. 따라서, 구동 전극(410)을 이용하여 손가락에 출력되는 횡방향 힘을 전기적으로 조절할 수 있게 된다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 슬라이더 패드와 탄성체의 연결 관계들을 나타내는 평면도들이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 슬라이더 패드(200)는 다수개의 탄성체(220)들에 의해 프레임(210)에 연결될 수 있다. 예를 들면, 슬라이더 패드(200)는 사각 형상을 가질 수 있고, 슬라이더 패드(200)의 네 개의 모서리들은 탄성체(220)들에 의해 대응하는 프레임(210)의 모서리들에 연결될 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 슬라이더 패드와 탄성체의 연결 관계를 나타내는 평면도들이다. 도 5a 및 도 5b는 슬라이더 패드(200)의 이동 거리에 따른 횡방향 힘을 다변화시키기 위한 탄성체의 구성에 관한 실시예를 나타낸다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 슬라이더 패드(200)는 가변 탄성체 구조에 의해 프레임(210)에 연결될 수 있다.
예를 들면, 프레임(210)에는 다수개의 제1 탄성체(220a)들과 다수개의 제2 탄성체(220b)들이 연결될 수 있다. 제1 탄성체(220a)는 슬라이더 패드(200)와 프레임(210)에 직접적으로 연결될 수 있다. 제2 탄성체(220b)는 슬라이더 패드(200) 및 프레임(210) 중 어느 하나에만 직접적으로 연결되고 다른 하나로부터는 소정 간격만큼 이격된다.
도 5a의 초기 위치에서는 제1 탄성체(220a)의 탄성력에만 영향을 받는다. 한편, 도 5b에서와 같이 슬라이더 패드(200)의 이동 거리가 제2 탄성체(220b)의 이격 간격 이상만큼 이동하게 되면 슬라이더 패드(220)는 제1 탄성체(220a)와 제2 탄성체(220b)의 횡방향 힘의 합력을 출력하고, 이에 따라 이동 거리에 따른 다단계의 횡방향 힘을 출력하게 된다.
본 발명에 따르면, 슬라이더 패드(200)에 연결되는 탄성체들은 슬라이더 패드(200)의 상대 변위에 따라 탄성을 비선형적으로 변화시킬 수 있는 탄성체 구조를 형성할 수 있게 된다.
도 6a 및 도 6b는 슬라이더 패드의 베이스 플레이트에 대한 상대 변위를 측정하기 위한 위치검출 전극을 나타내는 평면도들이다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 위치검출 전극(310)은 4개의 전극들(310a, 310b, 310c, 310d)을 포함할 수 있다. 4개의 전극들(310a, 310b, 310c, 310d)은 베이스 플레이트(100)의 중앙에 위치할 수 있다. 분할된 4개의 전극들(310a, 310b, 310c, 310d)은 하나의 환형 형상을 가질 수 있다. 또한, 슬라이더 패드(200)의 중앙에는 위치검출 전극(310)에 대응하여 4개의 전극들(310a, 310b, 310c, 310d)과 겹쳐지는 하나의 이동 전극(230)이 배치될 수 있다.
도 6b에 도시된 바와 같이, 슬라이더 패드(200)가 다자유도로 이동하게 되면, 위치검출 전극(310)은 슬라이더 패드(200)의 위치에 따른 4개의 전극들(310a, 310b, 310c, 310d)과 이동 전극(230) 간의 전하량의 상대적인 차이에 의해 슬라이더 패드(200)의 위치를 검출하게 된다. 또한, 위치검출 전극(310)과 슬라이더 패드(200)의 이동 전극(230) 사이의 간격의 변화에 따른 전하량 검출을 통해 슬라이더 패드(200)의 수직적인 움직임을 검출할 수 있다.
따라서, 위치검출 전극(310)은 슬라이더 패드(200)의 제1 방향 또는 상기 제1 방향과 실질적으로 직교하는 제2 방향으로의 운동을 측정할 수 있다. 또한, 위치검출 전극(310)은 슬라이더 패드(200)의 틸팅을 측정할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 슬라이더 패드(200)는 베이스 플레이트(100) 상에서 수직 이동, 수평 이동 및 틸팅을 포함한 다자유도의 운동이 가능하며, 위치검출 전극(310)은 슬라이더 패드(200)의 베이스 플레이트(100)에 대한 상대 변위를 측정할 수 있게 된다.
또한, 촉각정보 입출력 장치(10)는 가속도 센서(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 상기 가속도 센서는 슬라이더 패드(200)의 수직 방향 및 수평 방향의 운동을 측정할 수 있다.
이하에서는, 상술한 촉각정보 입출력 장치를 이용한 촉각정보 입출력 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각정보 입출력 장치의 구동 방법을 나타내는 블록도이다.
도 1 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 먼저, 사용자가 촉각정보 입출력 장치(10)에 접촉에 의한 힘/변위(F)와 같은 촉각 정보를 입력한 다. 예를 들면, 사용자는 슬라이더 패드(200)를 손가락으로 접촉하여 이동시킴으로써 촉각정보 입출력 장치(10)에 힘/변위을 인가할 수 있다. 따라서, 슬라이더 패드(200)는 사용자에 의한 촉각 입력 정보에 따라 베이스 플레이트(100) 상에서 다자유도로 이동하게 된다.
촉각정보 입출력 장치(10)의 위치 검출부(300)는 슬라이더 패드(200)의 운동 방향과 힘을 검출한다. 구체적으로, 위치 검출부(300)의 위치검출 전극(310)은 베이스 플레이트(100)에 대한 슬라이더 패드(200)의 상대 변위를 검출하여 연산장치(600)에 제공한다.
연산장치(600)는 슬라이더 패드(200)의 검출된 상대 변위를 바탕으로 사용자의 피부에 출력하기 위한 자극 패턴을 생성한다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 연산장치(600)는 자극 패턴 생성부(610)를 포함할 수 있다. 자극 패턴 생성부(610)는 슬라이더 패드(200)의 운동 방향 및 힘에 대응하는 자극 패턴의 방향과 속도를 산출하여 순차적인 자극 패턴을 생성할 수 있다.
생성된 순차적인 자극 패턴은 자극부(500)에 전송된다. 예를 들면, 자극부(500)의 자극 구조물(510)들은 압전 구동기에 의해 구동되어 슬라이더 패드(200)의 표면 방향으로 순차적인 자극 패턴을 출력하여 사용자의 피부에 출력 정보(S)를 전달하게 된다. 따라서, 사용자는 손가락으로 가상의 물체를 스캐닝하는 것과 같은 유사한 효과를 얻을 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 촉각정보 입출력 장치의 구동 방법을 나타내는 블록도이다.
도 1 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 사용자가 촉각정보 입출력 장치(10)에 힘/변위(F)와 같은 촉각 정보를 입력한다. 촉각정보 입출력 장치(10)의 위치 검출부(300)는 슬라이더 패드(200)의 운동 방향과 힘을 검출한다. 위치 검출부(300)의 위치검출 전극(310)은 베이스 플레이트(100)에 대한 슬라이더 패드(200)의 상대 변위를 검출하여 연산장치(600)에 제공한다. 연산장치(600)는 슬라이더 패드(200)의 검출된 상대 변위를 바탕으로 사용자의 피부에 출력하기 위한 자극 패턴을 생성한다.
이 경우에 있어서, 연산장치(600)는 그래픽 유저 인터페이스(Graphic User Interface, GUI) 상에서 디스플레이 상의 커서 위치를 제어하며, 상기 커서의 위치에 따른 컨텐츠를 피드백할 수 있다. 구체적으로, 연산장치(600)는 커서 위치 제어부(602), 컨텐츠 분석부(604) 및 자극 패턴 생성부(610)를 포함할 수 있다.
커서 위치 제어부(602)는 디스플레이에서의 커서 움직임을 제어할 수 있다. 예를 들면, 커서 위치 제어부(602)는 위치검출 전극(310)에 의해 검출된 슬라이더 패드(200)의 상대 변위를 바탕으로 GUI 상의 커서를 이동시킬 수 있다. 컨텐츠 분석부(604)는 상기 커서의 변경된 위치에 해당하는 컨텐츠를 분석할 수 있다. 자극 패턴 생성부(610)는 분석된 컨텐츠에 해당하는 진동 자극 패턴을 생성할 수 있다.
생성된 진동 자극 패턴은 자극부(500)에 전송된다. 예를 들면, 자극부(500)의 자극 구조물(510)들은 압전 구동기에 의해 구동되어 슬라이더 패드(200)의 표면 방향으로 진동 자극 패턴을 인가하여 사용자의 피부에 소정의 출력 정보(S)를 전달하게 된다. 따라서, 사용자는 GUI 상의 커서의 위치에 따른 컨텐츠를 기반으로 다 양한 촉각 자극 패턴과 같은 출력 정보를 촉각을 통해 얻을 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 촉각정보 입출력 장치는 기계/전기적 제어가 가능한 슬라이더 패드와 진동 자극기를 이용하여 가상의 촉감을 구현하여 사용자의 피부에 출력할 수 있다. 따라서, 사용자는 단일의 칩 상에서 촉각을 통한 정보 입력이 가능하며, 이를 바탕으로 한 촉각 입력 정보를 진동 자극 및 탄성력을 통하여 피부에 출력함으로써 시각 장애를 갖고 있는 사용자에게 시각 인식을 대체할 수 있을 뿐만 아니라 가상현실과 오감 기반 정보 통신에서의 응용이 가능하다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 촉각정보 입출력 장치를 나타내는 분해 사시도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각정보 입출력 장치의 구동방법을 나타내는 단면도들이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 촉각정보 입출력 장치의 구동방법을 나타내는 단면도들이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 슬라이더 패드와 탄성체의 연결 관계들을 나타내는 평면도들이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 슬라이더 패드와 탄성체의 연결 관계를 나타내는 평면도들이다.
도 6a 및 도 6b는 슬라이더 패드의 베이스 플레이트에 대한 상대 변위를 측정하기 위한 위치검출 전극을 나타내는 평면도들이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각정보 입출력 장치의 구동 방법을 나타내는 블록도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 촉각정보 입출력 장치의 구동 방법을 나타내는 블록도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 촉각정보 입출력 장치 100 : 베이스 플레이트
200 : 슬라이더 패드 210 : 프레임
220 : 탄성체 220a : 제1 탄성체
220b : 제2 탄성체 230 : 이동 전극
240 : 제2 도전 패턴 300 : 위치 검출부
310 : 위치검출 전극 400 : 구동부
410 : 구동 전극 500 : 자극부
510 : 자극 구조물 520 : 지지 플레이트
600 : 연산장치 602 : 커서 위치 제어부
604 : 컨텐츠 분석부 610 : 자극 패턴 생성부

Claims (20)

  1. 베이스 플레이트;
    상기 베이스 플레이트 상에서 다자유도로 운동 가능한 슬라이더 패드;
    상기 베이스 플레이트에 위치하며 상기 베이스 플레이트에 대한 상기 슬라이더 패드의 상대 변위를 측정하는 위치검출 전극;
    상기 베이스 플레이트에 위치하며 상기 베이스 플레이트와 상기 슬라이더 패드 사이의 마찰력을 정전기적으로 조절하는 구동 전극; 및
    상기 베이스 플레이트 하부에 위치하며, 상기 베이스 플레이트 및 상기 슬라이더 패드를 관통하도록 돌출된 다수개의 자극 구조물들을 갖는 자극부를 포함하는 촉각정보 입출력 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 슬라이더 패드는 다수개의 탄성체들에 연결되어 상기 슬라이더 패드의 상대 변위에 비례하는 횡방향 힘을 사용자의 피부에 제공하는 것을 특징으로 하는 촉각정보 입출력 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 탄성체들은 상기 상대 변위에 따라 탄성을 비선형적으로 변화시킬 수 있는 가변 탄성체 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 촉각정보 입출력 장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 베이스 플레이트 상에 배치되며 상기 슬라이더 패드를 수용하고 지지하는 프레임을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각정보 입출력 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 탄성체들은
    상기 슬라이더 패드와 상기 프레임에 연결되는 제1 탄성체; 및
    상기 슬라이더 패드와 상기 프레임 중 어느 하나에 연결되고 다른 하나로부터 이격되어 있는 제2 탄성체를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각정보 입출력 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 슬라이더 패드는 제1 도전 패턴을 포함하며 상기 구동 전극은 상기 제1 도전 패턴에 대응하여 상기 베이스 플레이트와 상기 슬라이더 패드 사이에 정전기력을 발생시키기 위한 제2 도전 패턴을 포함하고,
    상기 베이스 플레이트와 상기 슬라이더 패드 사이의 마찰력은 가변적으로 조절되는 것을 특징으로 하는 촉각정보 입출력 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 위치검출 전극은 적어도 2개의 전극들을 포함하며 상기 슬라이더 패드는 상기 2개의 전극들에 대응하는 적어도 하나의 전극을 포함하고,
    상기 슬라이더 패드의 수직 방향, 수평 방향 또는 수직 및 수평 방향의 움직 임, 또는 틸팅이 측정되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 촉각정보 입출력 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 자극부는
    사용자의 피부에 접촉하는 일단부를 갖는 기둥 형태의 다수개의 자극 구조물들; 및
    상기 자극 구조물들을 구동하기 위한 구동기를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각정보 입출력 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 구동기는 압전 구동기를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각정보 입출력 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 상대 변위에 기초하여 촉각 자극 패턴을 생성하여 상기 자극부에 전달하는 연산장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각정보 입출력 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 연산장치는
    상기 슬라이더 패드의 운동 방향 정보에 기초하여 그래픽 유저 인터페이스 상의 커서의 위치를 제어하는 커서 위치 제어부; 및
    상기 커서의 위치에 따른 컨텐츠를 기반으로 다양한 촉각 자극 패턴을 생성하기 위한 컨텐츠 분석부를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각정보 입출력 장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 촉각정보 입출력 장치는 촉각정보 기반 컴퓨터 인터페이스로 사용되는 것을 특징으로 하는 촉각정보 입출력 장치.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 촉각정보 입출력 장치는 인체의 피부에 장착되는 것을 특징으로 하는 촉각정보 입출력 장치.
  14. 사용자가 베이스 플레이트 상에서 다자유도로 운동 가능한 슬라이더 패드를 접촉하여 촉각 정보를 입력하는 단계;
    상기 입력 정보에 의한 상기 베이스 플레이트에 대한 상기 슬라이더 패드의 상대 변위를 측정하는 단계;
    상기 상대 변위에 기초하여 촉각 자극 패턴을 생성하는 단계; 및
    상기 촉각 자극 패턴에 기초하여 상기 베이스 플레이트 및 상기 슬라이더 패드를 관통하는 다수개의 자극 구조물들을 구동시켜 상기 슬라이더 패드 상의 사용자의 피부에 제1 촉각 정보를 출력하는 단계를 포함하는 촉각정보 입출력 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 베이스 플레이트와 상기 슬라이더 패드 사이의 마찰력에 기초하여 상기 슬라이더 패드 상에 접촉하고 있는 상기 사용자의 피부에 횡방향으로 제2 촉각 정보를 출력하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각 정보 입출력 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 제2 촉각 정보를 출력하는 단계는 상기 베이스 플레이트와 상기 슬라이더 패드 사이의 마찰력을 정전기적으로 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각정보 입출력 방법.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 제1 촉각 정보와 상기 제2 촉각 정보를 조합하여 사용자의 피부에 다양한 형태의 촉각 자극을 출력하는 것을 특징으로 하는 촉각정보 입출력 방법.
  18. 제 14 항에 있어서, 상기 상대 변위에 기초하여 자극 패턴을 생성하는 단계는 상기 슬라이더 패드의 운동 방향과 속도에 기초하여 순차적인 자극 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각정보 입출력 방법.
  19. 제 14 항에 있어서, 상기 상대 변위에 기초하여 자극 패턴을 생성하는 단계는 상기 슬라이더 패드의 운동 방향 정보에 기초하여 그래픽 유저 인터페이스 상의 커서의 위치를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각정보 입출력 방법.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 상대 변위에 기초하여 자극 패턴을 생성하는 단계 는 상기 커서의 위치에 따른 컨텐츠를 기반으로 다양한 촉각 자극 패턴을 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각정보 입출력 방법.
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