KR101016206B1 - 자기유변유체를 이용한 강성구현장치, 이를 이용한 햅틱제공장치, 이를 이용한 초소형 이동체 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기유변유체를 이용한 강성구현장치, 이를 이용한 햅틱제공장치, 이를 이용한 초소형 이동체 및 그 제어방법에 관한 것이다. 본 발명의 구성은 자기유변유체를 내부에 수용하는 하우징; 하우징의 상부에 구비되어 외력이 작용하는 누름판; 누름판과 연결되어 하우징 내에서 일방향으로 왕복하고 하단에 압축홈이 형성된 피스톤; 누름판과 피스톤 사이에 구비되어, 외력에 따라 이동하는 누름판에 탄성력을 제공하고, 이동하는 누름판에 의해 밀려나오는 자기유변유체를 수용함과 동시에 탄성력을 제공하는 탄성제공수단; 하우징 내부에 구비되어 피스톤의 왕복에 따라 압축홈에 삽출하는 요크; 및 하우징 내부에 구비되어 자기유변유체에 자기장을 인가하는 자기장인가수단;을 포함하여, 자기장의 세기에 따라 자기유변유체의 점성을 조절함으로써 외력에 대한 저항력인 강성을 구현하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 탄성제공수단을 통해 탄성력을 제공함과 동시에 자기유변유체를 수용할 수 있도록 함으로써 강성구현장치의 소형화에 기여할 수 있는 효과가 있다. 특히, 휴대단말기, 노트북 등의 다양한 멀티미디어 장치와 초소형 이동체의 댐퍼로 채용될 수 있는 효과가 있다.

자기유변체, 강성, 햅틱, 자기장, 저항력, 댐퍼, 쇼크옵소버

Description

자기유변유체를 이용한 강성구현장치, 이를 이용한 햅틱제공장치, 이를 이용한 초소형 이동체 및 그 제어방법{Stiffness Generation Apparatus Using Magnetorheological Fluid, Apparatus Providing Passive Haptic Feedback Using the Same, Micromini Moving Device Using the Same and Control Method}

본 발명은 자기유변유체를 이용한 강성구현장치, 이를 이용한 햅틱제공장치, 이를 이용한 초소형 이동체 및 그 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄성제공수단을 통해 탄성력을 제공함과 동시에 자기유변유체를 수용할 수 있도록 함으로써 강성구현장치의 소형화에 기여하는 자기유변유체를 이용한 강성구현장치, 이를 이용한 햅틱제공장치, 이를 이용한 초소형 이동체 및 그 제어방법에 관한 것이다.

또한, 외력에 대하여 저항력인 압축저항력, 유동저항력 및 전단력이 종합적으로 작용할 수 있도록 다중 모드의 저항력을 피스톤 및 요크를 통해 구현하고 이를 자기장인가수단을 통해 조절함으로써 다양한 세기의 댐핑력 내지 강성을 구현할 수 있는 자기유변유체를 이용한 강성구현장치, 이를 이용한 햅틱제공장치, 이를 이용한 초소형 이동체 및 그 제어방법에 관한 것이다.

강성구현장치란 외력에 대항하여 저항력을 발생시키는 장치로 댐퍼, 쇼크옵서버 등을 포괄하는 명칭이다. 이러한 강성구현장치는 수m에 달하는 크기에서부터 작게는 수mm에 이르기까지 다양한 크기로 개발되고 있다. 특히, 근래에는 휴대단말기의 터치스크린에 햅틱 피드백을 제공하기 위해 소형 강성구현장치의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 여기서 햅틱(haptic)이란 물체를 만질 때, 사람의 핑커팁(손가락 끝 또는 스타일러스 펜)으로 느낄 수 있는 촉각적 감각으로서, 피부가 물체 표면에 닿아서 느끼는 촉감 피드백(Tactile feedback)과 관절과 근육의 움직임이 방해될 때 느껴지는 근감각 힘 피드백(Kinesthetic force feedback)을 포괄하는 개념이다. 이러한 햅틱 피드백을 구현하기 위해 지금까지는 모터와 링크 메커니즘을 이용한 메카트로닉스 장비 등이 사용되었다. 그러나 이러한 기계적인 강성구현장치는 무게가 많이 나가고, 복잡한 링크 구조를 가질 뿐만 아니라 소형화가 어렵고, 관성으로 인한 신속한 응답 속도를 구현하기 어려웠다.

이를 극복하기 위해 자기유변유체 또는 전기유변유체를 이용한 강성구현장치가 개발되었다. 그러나 이러한 유변유체의 점성변화에 따른 저항력을 통해 필요한 만큼의 강성을 구현하기란 어려웠다. 또한, 많은 양의 유변유체 전체의 점성을 변화시키기 위해서는 강한 전기장이나 자기장을 필요로 하기 때문에 소형화하는데 있어 한계가 있다는 단점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 탄성제공수단을 통해 탄성력을 제공함과 동시에 자기유변유체를 수용할 수 있도록 함으로써 강성구현장치의 소형화에 기여하는 자기유변유체를 이용한 강성구현장치, 이를 이용한 햅틱제공장치, 이를 이용한 초소형 이동체 및 그 제어방법을 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 외력에 대하여 저항력인 압축저항력, 유동저항력 및 전단력이 종합적으로 작용할 수 있도록 다중 모드의 저항력을 피스톤 및 요크를 통해 구현하고 이를 자기장인가수단을 통해 조절함으로써 다양한 세기의 댐핑력 내지 강성을 구현할 수 있는 자기유변유체를 이용한 강성구현장치, 이를 이용한 햅틱제공장치, 이를 이용한 초소형 이동체 및 그 제어방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부 도면들과 관련되어 설명되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 명확해질 것이다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 수단은, 자기유변유체를 내부에 수용하는 하우징; 하우징의 상부에 구비되어 외력이 작용하는 누름판; 누름판과 연결되어 하우징 내에서 일방향으로 왕복하고 하단에 압축홈이 형성된 피스톤; 누름판과 피스톤 사이에 구비되어, 외력에 따라 이동하는 누름판에 탄성력을 제공하고, 이동하는 누름판에 의해 밀려나오는 자기유변유체를 수용함과 동시에 탄성력을 제공하는 탄성제공수단; 하우징 내부에 구비되어 피스톤의 왕복에 따라 압축홈에 삽출하는 요크; 및 하우징 내부에 구비되어 자기유변유체에 자기장을 인가하는 자기장인가수단;을 포함하여, 자기장의 세기에 따라 자기유변유체의 점성을 조절함으로써 외력에 대한 저항력인 강성을 구현하는 것을 특징으로 한다.

또한, 하우징은 길이방향을 기준으로 횡단면의 형상이 원형, 타원형 또는 다각형인 것을 특징으로 한다.

또한, 피스톤의 왕복시 자기유변유체가 이동할 수 있도록 피스톤 외주면을 따라 소정간격으로 피스톤의 왕복방향과 평행하게 유동홈을 더 형성한 것을 특징으로 한다.

또한, 하우징, 피스톤 및 요크의 재질은 강자성체인 것을 특징으로 한다.

또한, 탄성제공수단은 누름판과 피스톤 사이에 구비되어 외곽이 하우징과 고정결합하는 탄성막인 것을 특징으로 한다.

또한, 탄성제공수단은 탄성막 상부에 구비되어 하우징과 고정결합하는 나선형의 관통된 홈이 형성된 판상스프링을 더 구비한 것을 특징으로 한다.

또한, 판상스프링은, 누름판과 연결되는 중심영역에 형성된 나선형의 제 1 스프링; 및 중심영역의 외곽에 적어도 하나가 형성된 나선형의 제 2 스프링;을 포함한 것을 특징으로 한다.

또한, 판상스프링은, 누름판과 연결되는 중심영역에 형성된 나선형의 제 1 스프링; 및 중심영역의 외곽에 형성된 적어도 하나의 관통홀;을 포함한 것을 특징 으로 한다.

또한, 자기장인가수단은 요크 하단에 권취되는 코일로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 강성구현장치의 누름판 상부에는 사용자에게 햅틱 피드백을 제공할 수 있도록 터치패드 또는 터치스크린이 더 구비된 햅틱제공장치인 것을 특징으로 한다.

또한, 터치패드 또는 터치스크린과 누름판 상부 사이에는 압력센서가 더 구비된 것을 특징으로 한다.

또한, 압력센서의 출력신호에 기초하여 강성구현장치의 자기장인가수단에 제공되는 전원을 제어하는 제어수단이 더 포함된 것을 특징으로 한다.

또한, 강성구현장치를 댐퍼로 이용한 초소형 이동체인 것을 특징으로 한다.

또한, 강성구현장치를 이용하여 사용자에게 다양한 버튼감을 제공하는 가변형 버튼인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 카테고리로, 누름판에 외력이 가해져 누름판 및 피스톤이 일방향으로 이동하는 단계; 외력에 기초하여 자기장인가수단이 전원을 인가받아 자기장을 발생하는 단계; 발생된 자기장에 의하여 자기유변유체의 점성이 증가하는 단계; 자기유변유체의 점성증가로 인해 피스톤의 이동이 억제됨에 따라 외력에 대한 저항력인 강성이 발현되는 단계; 및 피스톤의 이동에 의해 밀려나온 자기유변유체가 탄성제공수단에 수용되는 단계;로 이루어지는 자기유변유체를 이용한 강성구현장치의 제어방법인 것을 특징으로 한다.

또한, 자기장인가수단이 전원을 인가받아 자기장을 발생하는 단계는, 압력센서가 외력의 세기를 검출하는 단계; 및 압력센서의 검출정보에 기초하여 자기장인가수단에 인가되는 전원의 세기를 제어하는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 강성이 발현되는 단계의 저항력은, 탄성제공수단의 탄성력을 포함하고, 피스톤의 상부 내면과 요크의 상면 사이의 압축저항력, 피스톤의 내측면과 요크의 측면 사이의 전단력과 유동저항력 및 하우징과 피스톤이 서로 인접하는 면 사이의 전단력 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 누름판의 초기 위치로의 복원속도를 조절하기 위해 자기장인가수단에 인가되는 전원을 제어하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 누름판이 외력에 의해 제 1 단계 깊이까지 이동하는 동안 저항력이 증대되는 단계; 누름판이 외력에 의해 제 1 단계 깊이 이후 제 2 단계 깊이까지 이동하는 동안 저항력은 제 1 단계 깊이에서 작용한 저항력보다 작은 크기로 일정하게 유지되는 단계; 및 누름판이 외력에 의해 제 2 단계 깊이를 넘어서 이동하는 경우 증대된 저항력이 발생하는 단계;로 이루어져, 버튼 클릭감을 구현한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 탄성제공수단을 통해 탄성력을 제공함과 동시에 자기유변유체를 수용할 수 있도록 함으로써 강성구현장치의 소형화에 기여할 수 있는 효과가 있다. 특히, 휴대단말기, 노트북 등의 다양한 멀티미디어 장치와 초소형 이동체 의 댐퍼로 채용될 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 외력에 대하여 저항력인 압축저항력, 유동저항력 및 전단력이 종합적으로 작용할 수 있도록 다중 모드의 저항력을 피스톤 및 요크를 통해 구현하고 이를 자기장인가수단을 통해 조절함으로써 다양한 세기의 댐핑력 내지 강성을 구현할 수 있는 효과가 있다.

또한, 하우징, 피스톤 및 요크를 강자성체로 형성함으로 인해 자기장인가수단에 의해 발생하는 자기장의 세기가 증대되고 자기장이 균일하게 형성됨에 따라 정밀한 제어가 가능해져 버튼 클릭감을 구현할 수 있는 효과가 있다.

<강성구현장치의 구성>

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자기유변유체를 이용한 강성구현장치(1)의 구성에 관하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 강성구현장치의 분해사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 강성구현장치의 결합사시도이며, 도 3은 도 2의 A-A', 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 강성구현장치의 피스톤의 각기 다른 실시예를 나타내는 정면도이며, 도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 강성구현장치의 판상스프링의 각기 다른 실시예를 나타내는 정면도이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 강성구현장치(1)는 대략적으로 하우징(10), 누름판(20), 피스톤(30), 탄성제공수단(40), 요크(50) 및 자기장인가수단(60) 등을 포함하여 이루어진다.

하우징(10)은 본 발명에 따른 강성구현장치(1)의 몸체를 이루는 것으로, 내부에는 자기유변유체(5), 피스톤(30), 요크(50) 및 자기장인가수단(60)을 수용할 수 있는 공간이 구비된 상부가 개방된 통형상으로 제작한다. 이러한 하우징(10)은 본 발명에 따른 강성구현장치(1)의 사용 목적 및 용도에 따라 하우징(10)의 길이방향을 기준으로 횡단면을 다양한 형상으로 변형할 수 있다. 하지만, 하우징(10)은 횡단면의 형상이 원형, 타원형 또는 다각형인 것이 바람직하다. 본 발명의 실시예에서는 이러한 하우징(10)의 크기를 10mm×10mm×15mm 이하의 작은 크기로 제작하며, 하우징(10)의 재질은 합성수지제 또는 강자성체인 철, 코발트, 니켈, 이들의 합금 등의 금속제를 사용할 수 있다.

누름판(20)은 누름판(20)과 수직인 방향의 외력이 가해지는 부재로, 하우징(10)의 상부에 구비되어 후술할 피스톤(30)의 연결홈(32)과 연결된다. 이렇게 피스톤(30)과 연결되는 누름판(20)의 형상은 외부로부터 가해지는 힘을 하우징(10) 내부에 구비된 피스톤(30)에 전달할 수 있는 형상이라면, 사용양태에 따라 어떠한 형상으로도 변형가능하다.

도 3에 도시된 바와 같이, 피스톤(30)은 하우징(10) 내의 자기장 형성으로 인한 자기유변유체(5)의 점성변화에 따른 저항력인 강성이 실질적으로 가해지는 부재로, 하우징(10)에 내삽되어 상하방향으로 왕복할 수 있는 하부가 개방된 통형상으로 제작한다. 이러한 피스톤(30)은 후술할 요크(50) 및 자기장인가수단(60)의 상부에 위치하여 요크(50)의 상단면과 측면을 덮는다.

이때, 피스톤(30)의 직경(또는 가로,세로)은 하우징(10)의 내경(또는 가로, 세로)보다 약간 작게 형성한다. 그리고 피스톤(30)의 하부에 요크(50)가 삽출할 수 있도록 형성된 압축홈(34)의 직경(또는 가로,세로)은 요크(50)의 직경(또는 가로,세로)보다 약간 크게 형성한다. 이로 인해 자기유변유체(5)는 피스톤(30)의 내측면과 요크(50)의 측면이 인접하는 사이의 공간 및 피스톤(30)과 하우징(10)이 인접하는 사이의 공간을 드나들 수 있다.

그리고 피스톤(30)은 하우징(10)의 내부에서 일방향으로 원활하게 왕복할 수 있는 형상이라면 피스톤(30)의 길이방향을 기준으로 한 횡단면 형상은 다양한 형상으로 변형가능하다. 하지만, 피스톤(30)은 하우징(10)의 횡단면에 대응하는 형상인 원형, 타원형 또는 다각형으로 형성하는 것이 바람직하다. 그러나 이러한 경우, 하우징(10) 내부에 채워진 자기유변유체(5)는 자기장이 인가되지 않은 상태에서도 기본적인 점성으로 인한 저항력이 있기 때문에 피스톤(30)과 하우징(10)이 인접하는 사이 공간이 너무 협소하다면, 자기유변유체(5)가 원활히 드나들 수 없게 된다. 따라서, 하우징(10)에 대응하는 형상의 피스톤(30)은 일방향 왕복이 어려워져 큰 강성을 협소한 범위에서 구현할 수 있을 뿐이다. 반면에 광범위한 범위에서 강성이 구현될 수 있는 피스톤(30)의 형상과 관련해 도 4를 참조하여 피스톤(30)의 각기 다른 실시예를 설명한다.

도 4 i 및 도 4 ii에 도시된 바와 같이, 피스톤(30)에는 피스톤(30)의 외주면을 따라 소정간격으로 피스톤(30)의 왕복방향과 평행하게 형성된 3개 내지 4개의 유동홈(36)을 형성할 수 있다. 이를 통해 피스톤(30)의 왕복시 피스톤(30)에 가해지는 자기유변유체(5) 자체의 점성에 따른 저항력이 감소되고, 자기유변유체(5)가 유동할 수 있는 공간이 제공됨에 따라 피스톤(30)이 원활히 이동할 수 있다. 따라서, 유동홈(36)이 형성된 피스톤(30)은 유동홈(36)이 형성되지 않고 단순히 하우징(10)의 형상에 대응하도록 형성된 피스톤(30)의 경우보다 광범위한 범위에서 강성을 구현할 수 있다. 이때, 유동홈(36)의 폭 및 개수는 구현하고자 하는 강성의 크기 및 범위에 따라 변경가능하다.

그리고 도 4 iii에 도시된 바와 같이, 유동홈(36)을 대신하여 자기유변유체(5)가 유동할 수 있는 유동홀(38)을 형성할 수 있다. 이때, 유동홀(38)은 압축홈(34)이 형성되지 않은 영역인 피스톤(30)의 외곽 영역에 피스톤(30)의 길이방향을 따라 관통형성한다. 이러한 유동홀(38)은 적어도 하나 형성되어 유동홈(36)과 동일한 목적을 달성할 수 있다. 이처럼, 도 4에 도시된 피스톤(30)의 형상과 같이 본 발명에 따른 피스톤(30)은 다양한 변형이 가능한 부재이다.

한편, 피스톤(30)의 재질은 하우징(10)의 재질과 동일한 합성수지제 또는 강자성체인 철, 코발트, 니켈, 이들의 합금 등의 금속제를 사용할 수 있다. 그리고 피스톤(30)의 연결홈(32)은 누름판(20)과 연결된다.

탄성제공수단(40)은 누름판(20)과 피스톤(30) 사이에 고정되도록 구비되어, 외력에 따라 이동하는 누름판(20)에 탄성력을 제공하고, 이동하는 누름판(20)에 의해 밀려나오는 자기유변유체(5)를 수용함과 동시에 탄성력을 제공하는 부재이다. 이러한 탄성제공수단(40)은 탄성력의 제공뿐만 아니라 밀려나오는 자기유변유체(5)를 수용하는 기능을 겸함으로써 강성구현장치(1)는 별도의 수용 공간을 필요로 하지 않게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 탄성제공수단(40)은 강성구현장치(1)의 소 형화에 기여하는 본 발명에 있어 특징적인 부재이다.

이러한 탄성제공수단(40)은 대략 탄성막(42)으로 이루어질 수 있다. 이때, 탄성막(42)은 누름판(20)과 피스톤(30) 사이에 구비되고 탄성막(42)의 외곽이 하우징(10)의 상부와 고정되도록 결합한다. 이러한 탄성막(42)의 재질은 얇고 질긴 고분자 폴리머 또는 고무, MEMS 공정에 따라 제조된 실리콘 등이 사용될 수 있다. 이렇게 탄성막(42)의 일측에 고정 구비된 누름판(20)에 외력이 가해지면, 누름판(20)의 이동에 따라 침습된 부피만큼 밀려나오는 자기유변유체(5)는 누름판(20)이 탄성막(42)과 연결되어 고정된 영역 이외의 영역의 탄성막(42)을 풍선처럼 부풀리며 수용된다.

이러한 탄성막(42) 상부에는 하우징(10)과 고정결합하는 나선형의 판상스프링(44)을 더 구비하여 탄성제공수단(40)을 구성할 수 있다. 이렇게 판상스프링(44)이 더 구비되는 경우, 탄성막(42)만으로 구성된 탄성제공수단(40)인 경우보다 일정하고 강한 탄성력을 제공할 수 있고, 강성구현장치(1)의 내구성 증대 및 안정적 구동을 확보할 수 있다. 이하에서는 도 5a 및 도 5b를 참조하여 판상스프링(44)의 각기 다른 실시예를 설명한다.

도 5a에 도시된 바와 같이, 판상스프링(44)은 대략적으로 제 1 스프링(441)과 제 2 스프링(442) 등을 포함하여 이루어진다.

여기서 제 1 스프링(441)은 외력이 가해지는 누름판(20)에 탄성력을 제공하는 부분으로, 판상스프링(44)의 중심영역에 나선형의 관통된 홈이 형성되어 누름판(20)과 연결된다. 그리고 제 2 스프링(442)은 누름판(20)의 이동에 따라 침습된 부피만큼 밀려나오는 자기유변유체(5)가 수용되는 공간이며, 동시에 밀려나온 자기유변유체(5)에 탄성력을 제공하는 부분이다. 이러한 제 2 스프링(442)은 판상스프링(44)의 중심영역의 외곽에 나선형의 관통된 홈을 형성하여 구성될 수 있다. 이때, 제 2 스프링(442)은 적어도 하나가 형성된다.

또한, 도 5b에 도시된 바와 같이, 전술한 제 2 스프링(442)은 판상스프링(44)의 중심영역의 외곽에 적어도 하나의 관통홀(444)을 형성함으로써 대체될 수 있다. 그리고 제 1 스프링(441)이 형성된 중심영역도 마찬가지로 관통홀(444)이 형성되어 제 1 스프링(441)을 대체할 수 있음은 물론이다. 이는 판상스프링(44) 하부에 위치한 탄성막(42)에 의해 누름판(20)에 탄성력이 제공될 수 있기 때문이다.

이상에서 살펴본 판상스프링(44)은 합성수지제 또는 금속재를 사용하여 제 1 스프링(441), 제 2 스프링(442) 및 관통홀(444)을 일체로 형성할 수 있다.

요크(50)는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 하우징(10) 내부에 구비되어 피스톤(30)의 왕복에 따라 압축홈(34)에 삽출한다. 이러한 요크(50)는 본 발명에 따른 강성구현장치(1)의 강성을 증대시키고 자기장의 자력 방향을 유도하며 피스톤(30)의 일방향 왕복을 유도하기 위함이다. 이때, 요크(50)의 형상은 압축홈(34)과 삽출가능하도록 압축홈(34)의 형상과 대응하는 형상으로 제작한다. 그리고 전술한 바와 같이, 요크(50)의 직경(또는 가로,세로)은 압축홈(34)의 내경(또는 가로,세로)에 비하여 약간 작게 형성하는 것이 바람직하다. 이로 인해, 자기유변유체(5)는 요크(50)와 피스톤(30)의 압축홈(34) 사이를 드나들 수 있다.

한편, 요크(50)의 재질은 하우징(10) 및 피스톤(30)의 재질과 동일한 합성수 지제 또는 강자성체인 철, 코발트, 니켈, 이들의 합금 등의 금속제를 사용할 수 있다. 이때, 요크(50), 하우징(10) 및 피스톤(30)의 재질이 강자성체인 철, 코발트, 니켈, 그 합금 등의 금속제로 이루어진 경우, 후술할 자기장인가수단(60)에 의해 발생한 자기장은 자력의 방향이 일정하게 유도될 뿐만 아니라 자력의 손실이 방지된다. 또한, 요크(50), 하우징(10) 및 피스톤(30)이 비자성체인 경우보다 요크(50)를 기준으로 하우징(10) 내에서 자기장이 균일하고 강하게 형성된다.

자기장인가수단(60)은 외부로부터 전원을 제공받아 자기유변유체(5)에 자기장을 인가하여 자기유변유체(5)의 점성변화를 유도하는 수단으로, 자기장인가수단(60)의 전원 제어를 통해 다양한 저항력인 강성을 구현할 수 있다. 이러한 자기장인가수단(60)은 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 요크(50)가 구비된 하우징(10) 내부에 위치한다. 본 발명의 실시예에서의 자기장인가수단(60)은 요크(50) 하단의 외주를 따라 코일(62)을 권취함으로써 구현된다.

이때, 요크(50) 하단에 권취되는 코일(62)의 횟수 또는 전원의 세기에 비례하여 자기장의 세기가 증대된다. 이렇게 코일(62)의 횟수 또는 전원의 세기의 증대에 따라 자기장의 세기가 증대하면, 자기유변유체(5)는 보다 체인 형성이 강화되어 자기유변유체(5)의 점성을 증대시킨다. 이로 인해 외력에 대한 저항력인 강성이 증대되어 다양한 세기의 외력에 대한 강성을 구현할 수 있다.

하지만, 본 발명에 따른 강성구현장치(1)는 소형으로 제작되기 때문에 요크(50) 하단에 권취되는 코일(62) 횟수 및 자기장인가수단(60)에 제공되는 전원 세기의 증대에는 일정한 제한이 따른다. 즉, 코일(62) 횟수 및 전원의 세기의 증대로 인한 강한 자기장 형성으로 자기유변유체(5)의 체인을 강하게 형성하여 저항력인 강성을 증대시키는 것은 본 발명의 목적에 부합하지 않는다.

따라서, 본 발명은 코일(62) 횟수 및 전원의 세기의 증대 없이 작은 세기의 자기장에서도 다양한 모드의 저항력을 취합하여 큰 강성을 발현할 수 있도록 피스톤(30) 하단에 압축홈(34)을 형성하고 요크(50)가 압축홈(34)에 삽출하도록 구현하였다.

이상에서 살펴본 하우징(10), 누름판(20), 피스톤(30), 탄성제공수단(40), 요크(50) 및 자기장인가수단(60)에 관한 구체적 작용 및 자기장 인가로 인해 이들 사이에서 발현되는 다양한 모드의 저항력에 대한 구체적 기술은 후술할 본 발명에 따른 강성구현장치(1)의 제어방법에서 설명하기로 한다.

< 햅틱제공장치 및 기타장치>

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 자기유변유체를 이용한 강성구현장치(1)가 복수 개 구비되어 사용자에게 햅틱 피드백을 제공하는 햅틱제공장치(100)에 대하여 설명한다.

도 6은 본 발명에 따른 강성구현장치를 이용한 햅틱제공장치가 노트북에 이용된 경우의 사시도이고, 도 7은 본 발명에 따른 강성구현장치를 이용한 햅틱제공장치가 휴대폰에 적용된 경우의 사시도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 햅틱제공장치(100)가 노트북(3)에 사용되는 경우, 대략 복수 개의 강성구현장치(1)로 이루어진 햅틱제공장치(100), 터치패드(300) 및 제어수단(미도시) 등을 포함하여 이루어진다.

그리고 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 햅틱제공장치(100)가 휴대폰(4), PDA단말기, PMP단말기 또는 내비게이션 등의 휴대단말기에 사용되는 경우, 대략 복수 개의 강성구현장치(1)로 이루어진 햅틱제공장치(100), 터치스크린(400) 및 제어수단(미도시) 등을 포함하여 이루어진다.

여기서 햅틱제공장치(100)는 본 발명에 따른 강성구현장치(1)를 복수 개 구비하고 배선이 프린팅된 회로 기판(110)에 이를 각각 연결함으로써 구성된다. 이렇게 구성된 햅틱제공장치(100)는 제어수단을 통해 전원을 제공받아 각각의 강성구현장치(1)를 구동한다. 이러한 햅틱제공장치(100)는 사용자의 신체와 접촉시 사용자에게 햅틱 피드백의 제공이 가능한 컴퓨터 주변기기와 PDA단말기, 내비게이션과 같은 휴대단말기 등의 다양한 장치에 활용될 수 있다. 이하에서는 햅틱제공장치(100)를 구성하는 강성구현장치(1)의 구체적 구성은 전술한 기재로 갈음하고, 다른 구성을 중심으로 설명한다.

터치패드(300)는 압력 감지기가 달려있는 작은 평판으로 마우스를 대신하는 입력장치를 말한다. 이때, 터치패드(300)는 햅틱제공장치(100)를 구성하는 복수 개의 강성구현장치(1)의 누름판(20) 상부에 구비된다.

그리고 터치스크린(400)은 영상 표시장치인 디스플레이 상부에 적외선이 격자형태로 흐르는 투명한 터치패드(300)를 구비한 장치를 말한다. 이때, 터치스크린(400)도 햅틱제공장치(100)를 구성하는 복수 개의 강성구현장치(1)의 누름판(20) 상부에 구비된다.

한편, 터치패드(300) 또는 터치스크린(400)과 외력이 가해지는 강성구현장치(1)의 누름판(20) 상부 사이에는 압력센서(200)가 더 구비될 수 있다. 이때, 압력센서(200)는 외력이 가해질 때, 압축되거나 늘어나는 변형에 의해 발생한 전기적 신호를 이용하여 각 부위에 걸리는 외력의 분포상태 및 크기를 검출하는 부재이다. 즉, 외력의 세기에 비례하여 변화된 전기적 출력신호를 발생한다. 본 발명에 사용되는 압력센서(200)는 박막으로 이루어진 전자식 압력센서, 반도체 압력센서 또는 광섬유 압력센서 등의 다양한 압력센서(200)가 사용될 수 있다.

그리고 제어수단(미도시)은 햅틱제공장치(100)의 햅틱 피드백을 제어하는 것으로, 이는 구체적으로 강성구현장치(1)의 자기장인가수단(60)에 제공되는 전원을 제어함으로써 이루어진다. 여기서 제어수단이 전원을 제어한다는 것은 전원의 세기(전류 또는 전압의 세기), 인가되는 시간, 주기(전극의 상호 역전) 등을 제어함을 말한다.

이때, 제어수단은 압력센서(200)를 통해 감지된 외력의 세기에 대한 출력신호에 기초하여 구동됨으로써 복수 개로 구비된 강성구현장치(1)중 어느 강성구현장치(1)의 자기장인가수단(60)에 얼마만큼의 전원을 인가할 것인지 선택할 수 있도록 함이 바람직하다. 한편, 선택된 강성구현장치(1)가 2개 이상이라면 각각의 강성구현장치(1)의 전원 제어는 독립적으로 이루어질 수 있다. 이렇게 압력센서(200)의 출력신호에 따라 제어수단은 복수 개의 강성구현장치(1)의 자기장인가수단(60)에 적절한 전원을 인가함으로써 자기유변유체(5)의 점성을 변화시켜 저항력인 강성을 조절할 수 있다. 이와 같이 압력센서(200) 및 제어수단의 전원제어를 통해 노트 북(3) 등의 터치패드(300) 및 휴대폰(4) 등의 터치스크린(400)에 사용된 햅틱제공장치(100)는 외력의 세기에 기초하여 다양한 햅틱 피드백을 제공할 수 있다.

반면에, 제어수단은 압력센서(200)가 구비되지 않더라도 터치패드(300) 또는 터치스크린(400) 자체의 압력 감지기를 통해 위치정보를 추출할 수 있다. 그리고 제작자는 이렇게 추출된 위치정보에 대응하는 다양한 모드의 햅틱 피드백을 미리 프로그램으로 설정함으로써 사용자에게 일방향 햅틱 피드백을 제공할 수 있다.

특히, 터치스크린(400)인 경우 해당 터치스크린(400)에 표시되는 그래픽 정보 및 위치정보와 연동되는 햅틱 피드백을 미리 프로그램화하여 사용자에게 다양한 햅틱 피드백을 제공할 수 있다. 일례로, 얼음 또는 돌과 같은 그래픽으로 표현된 메뉴를 터치스크린(400)을 통해 선택하는 경우 딱딱한 느낌의 햅틱 피드백이 전달되도록 프로그램화할 수 있다. 또한, 사람의 피부 또는 비누거품과 같은 그래픽으로 표현된 메뉴를 선택하는 경우 부드러운 느낌의 햅틱 피드백이 전달되도록 프로그램화할 수 있다.

도 8은 본 발명에 따른 강성구현장치를 이용한 초소형 이동체의 사시도이고, 도 9는 본 발명에 따른 강성구현장치를 이용한 버튼의 사시도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 강성구현장치(1)는 소형으로 제작될 수 있어 초소형 이동체(500)의 댐퍼로 사용될 수 있다. 여기서 초소형 이동체(500)란 마이크로 로봇, 초소형 RC(Radio Control)차량, 비행체 등을 말한다. 이렇게 본 발명에 따른 강성구현장치(1)가 댐퍼로 사용되는 경우에도 강성구현장치(1)의 누름판(20) 상부에 압력센서(200)를 구비하여 제어수단(미도시)을 통해 외력의 세기 따른 다양한 강성을 갖는 댐퍼로 사용할 수 있다.

그리고 도 9에 도시된 바와 같이, 사용자에게 버튼 클릭감을 제공하기 위해 본 발명에 따른 강성구현장치(1)의 누름판(20) 상부에 버튼덮개(610)가 형성된다. 본 발명에 따른 강성구현장치(1)는 앞서 언급한 바와 같이 햅틱제공장치(100) 또는 댐퍼로 사용되는 이외에도, 버튼덮개(610)를 더 형성하여 가변형 버튼(600)으로 활용가능하다. 이때, 딸각하고 눌리는 것과 같은 버튼 클릭감을 구현하기 위해서는 제어수단(미도시)을 통해 이루어진다. 이러한 제어수단의 제어방법에 대하여는 이하에서 기술할 버튼 클릭감을 구현하는 경우의 제어방법에서 구체적으로 설명한다.

<제어방법>

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 자기유변유체를 이용한 강성구현장치(1)의 제어방법에 대하여 설명한다.

도 10은 본 발명에 따른 강성구현장치의 제어방법에 따른 순서도이고, 도 11은 본 발명에 따른 강성구현장치에 외력이 작용한 경우 자기유변유체의 흐름을 나타낸 단면도이며, 도 12는 본 발명에 따른 강성구현장치에 자기장이 인가된 경우 자력의 방향을 나타내는 단면도 및 B-B' 단면도이고, 도 13은 피스톤의 일방향 이동에 따른 자기장의 변화를 나타낸 단면도이며, 도 14는 자기유변유체에 자기장이 인가된 경우 발생하는 다양한 모드의 저항력을 나타낸 단면도이다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 도 1 내지 도 3에 도시된 강성구현장치(1)를 기준으로 제어수단(미도시)에 의한 전체적인 제어방법을 설명한다.

먼저, 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 누름판(20)에 외력이 가해져 누름판(20) 및 피스톤(30)이 일방향으로 이동한다. 이때, 자기장인가수단(60)에는 전원이 제공되지 않아 자기유변유체(5)의 점성에는 아무런 변화가 없다. 따라서 누름판(20)에 외력이 가해지면 쉽게 눌린다. 그리고 누름판(20)과 연결된 피스톤(30)은 하방(도 11 기준)으로 이동하게 되고, 자기장인가수단(60)과 인접한 위치에 있는 자기유변유체(5)는 피스톤(30)에 형성된 유동홈(36)을 통해 탄성제공수단(40)이 위치한 곳으로 흐르게 된다. 한편, 피스톤(30)이 이동하는 경우, 외력에 대항하는 저항력은 자기장이 인가되지 않은 자기유변유체(5)의 자체 점성에 따른 저항력 및 탄성제공수단(40)인 탄성막(42) 및 판상스프링(44)의 탄성력이다(S100).

한편, 누름판(20)에 작용하던 외력이 제거되면, 누름판(20)은 탄성막(42) 및 판상스프링(44)의 탄성력에 의해 본래의 초기 위치로 복원한다. 이때, 탄성제공수단(40)과 인접한 위치에 있는 자기유변유체(5)는 피스톤(30)에 형성된 유동홈(36)을 통해 자기장인가수단(60)이 위치한 곳으로 흐르게 된다.

다음으로, 자기장인가수단(60)이 외력에 기초하여 전원을 인가받아 자기장을 발생한다. 여기서, 외력의 감지와 이에 따른 자기장인가수단(60)에 의한 자기장의 발생은 즉각적으로 이루어진다. 이때, 외력의 감지는 힘의 세기를 측정할 수 있는 다양한 측정장치가 사용될 수 있다. 하지만, 본 발명에 따른 제어방법에서는 전술한 압력센서(200)를 사용한다. 이하에서는 자기장인가수단(60)에 의한 자기장의 발생 단계를 구체적으로 설명한다.

우선, 강성구현장치(1)의 누름판(20) 상부에 구비된 압력센서(200)에 외력이 가해지면, 압력센서(200)는 외력의 세기를 검출한다(S210). 그리고 검출된 외력의 세기에 대한 출력신호 정보는 즉시 제어수단(미도시)에 전달되고, 제어수단은 이에 따라 자기장인가수단(60)에 인가되는 전원의 세기를 제어한다(S220). 일례로, 외력의 세기가 크다면, 제어수단은 자기장인가수단(60)에 제공되는 전원의 세기를 크게 하여 코일(62)에서 발생하는 자기장의 세기를 크게 하는 것이 좋다. 즉, 이를 통해 자기유변유체(5)는 강한 체인을 형성하게 되고 저항력인 강성이 증대되어 외력에 대응할 수 있다. 이렇게 외력에 세기에 비례하여 자기장의 세기(저항력의 세기)를 제어함으로써 본 발명에 따른 강성구현장치(1)는 효율적인 댐핑 기능을 수행할 수 있다. 또한, 햅틱제공장치(100)에 본 발명에 따른 강성구현장치(1)를 사용하는 경우, 사용자의 손가락 외력에 대응하는 햅틱 피드백을 제공할 수 있어 사용자의 다양한 햅틱 욕구를 충족시킬 수 있다.

한편, 도 12에 도시된 단면도와 같이, 하우징(10), 피스톤(30) 및 요크(50)가 강자성체로 이루어진 경우, 자기장인가수단(60)에 의해 발생한 자기장은 주로 요크(50), 피스톤(30), 하우징(10)을 따라 강하고 균일하게 형성된다. 이는 요크(50), 피스톤(30) 및 하우징(10)이 강자성체로 이루어짐에 따라 자기장인가수단(60)에 의해 발생한 자력선(M)이 요크(50), 피스톤(30) 및 하우징(10)이 서로 인접하는 영역에 수렴하기 때문이다. 반면에 투자율이 낮은 자기유변유체(5)가 수용된 영역에서는 자력 손실이 발생함에 따라 자기장의 세기가 감소하여 자력선(M)의 수도 감소한다.

그리고 도 12에 도시된 B-B' 단면도와 같이, 유동홈(36)이 형성된 영역에는 투자율이 낮은 자기유변유체(5)가 피스톤(30)과 하우징(10)이 상호 인접한 영역보다 상대적으로 많이 수용되기 때문에 자력 손실에 의해 자력선(M)의 수가 감소한다. 따라서 자력선(M)은 자력 손실이 적은 하우징(10) 및 이와 인접한 피스톤(30)을 따라 형성되어 자기장은 타원형의 형상으로 형성된다(S200).

다음으로, 발생된 자기장에 의하여 자기유변유체(5)의 점성이 증가한다. 이러한 자기유변유체(5)의 점성증가는 자기유변유체(5)에 포함된 쇳가루와 같은 강자성체입자들이 자력선(M)을 따라 체인을 형성함으로 인해 발생한다. 이때, 자기유변유체(5)의 체인 형성은 전술한 바와 같이 자기유변유체(5)에 인가된 자기장의 세기에 비례한다(S300).

다음으로, 자기유변유체(5)의 점성증가로 인해 피스톤(30)의 이동이 억제됨에 따라 외력에 대한 저항력인 강성이 발현된다. 즉, 자기장의 인가로 체인이 형성되어 점성이 증가된 자기유변유체(5)는 피스톤(30)의 이동에 따라 요크(50), 피스톤(30) 및 하우징(10) 사이를 드나드는 자기유변유체(5)의 유동을 억제하는 저항력으로 작용한다. 한편, 도 13에 도시된 바와 같이, 유한요소법(FEM)에 따른 시뮬레이션에 의하면 일정한 전원이 자기장인가수단(60)에 인가되어 소정의 자기장을 형성하더라도 피스톤(30)이 하방으로 이동하는 경우, 자력선(M)은 강자성체인 요크(50), 피스톤(30) 및 하우징(10)으로 이어지는 영역에 점차 수렴하게 된다. 이로 인해 해당 영역은 자기장의 세기가 증대됨에 따라 자기유변유체(5)가 보다 강한 체인을 형성함으로써 외력에 대한 저항력이 증대된다. 이하에서 이를 자기장 강화 현상이라 명명하기로 한다.

이렇게 자기장 인가로 인한 자기유변유체(5)의 점성변화에 따라 피스톤(30)에 가해지는 저항력은 구체적으로 압축저항력, 유동저항력 및 전단력에 기초한다. 또한, 탄성제공수단(40)의 탄성력이 기본적으로 피스톤(30)의 하방이동에 대한 저항력으로 작용함은 물론이다. 도 14를 참조하여 이러한 저항력을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명에 따른 강성구현장치(1)의 탄성제공수단(40)에 의한 탄성력은 피스톤(30)이 하방으로 이동할수록 증대된다.

그리고 도 14의 좌측 상단에 확대 도시한 바와 같이, 피스톤(30)의 상부 내면과 요크(50)의 상면 사이에는 압축저항력(F압)이 발생한다. 즉, 피스톤(30)의 압축홈(34)과 요크(50)로 구획되는 공간에 수용된 비압축성 물질인 자기유변유체(5)는 수직방향(도 14 기준)의 체인을 형성하여 외력(F)에 따른 피스톤(30)의 하방이동에 대응한 저항력으로서 압축저항력(F압)을 발생시킨다. 그러나 피스톤(30)의 압축홈(34)과 요크(50)로 구획되는 공간에 수용된 자기유변유체(5)는 압축저항력(F압) 이상의 외력(F)이 작용하는 경우, 자기장에 의해 형성된 체인을 끊고 피스톤(30)의 내측면과 요크(50)의 측면 사이로 유동(V)하게 된다.

그리고 도 14의 하단에서 확대 도시한 바와 같이, 피스톤(30)의 내측면과 요크(50)의 측면 사이에 수용된 자기유변유체(5)는 자기장의 인가로 인해 수평방향(도 14 기준)으로 체인을 형성한다. 이렇게 수평방향의 체인을 형성한 자기유변유체(5)는 압축저항력(F압) 이상의 외력(F)의 작용으로 인해 유동(V)하는 자기유변유체(5)의 하방이동을 억제하는 유동저항력(F유)을 발생시킨다. 또한, 이와 동시에 수평방향의 체인을 형성한 자기유변유체(5)는 서로 반대방향으로 이동하는 피스톤(30)과 요크(50) 사이에 걸쳐 체인을 형성한 것이므로 피스톤(30)의 하방이동을 억제하는 전단력(F전)을 발생시킨다. 결국, 피스톤(30)은 피스톤(30)의 내측면과 요크(50)의 측면 사이에 수용된 자기유변유체(5)에 의한 유동저항력(F유) 및 전단력(F전)의 발현으로 하방이동이 저지된다.

그리고 도 14의 우측 상단에 확대 도시한 바와 같이, 하우징(10)과 피스톤(30)이 서로 인접하는 면 사이에 수용된 자기유변유체(5)는 자기장의 인가로 인해 수평방향(도 14 기준)으로 체인을 형성한다. 이렇게 수평방향의 체인을 형성한 자기유변유체(5)는 외력의 작용으로 인해 서로 반대방향으로 이동하는 하우징(10)과 피스톤(30) 사이에 걸쳐 체인을 형성한 것이므로 피스톤(30)의 하방이동을 억제하는 전단력(F전)을 발생시킨다. 이때, 하우징(10)과 피스톤(30)이 서로 인접하는 면 사이에 수용된 자기유변유체(5)는 피스톤(30)의 내측면과 요크(50)의 측면 사이에 수용된 자기유변유체(5)와 달리 유동저항력(F유)을 거의 발생시키지 않는다. 이는 자기유변유체(5)가 피스톤(30)에 형성된 유동홈(36)을 통해 주로 유동하기 때문이다.

이와 같이, 탄성제공수단(40)의 탄성력과 자기장 인가로 인한 자기유변유체(5)의 체인 형성(또는 점성 증가)에 기초하여 하우징(10) 내부에서 발생되는 압축저항력(F압), 유동저항력(F유) 및 전단력(F전)은 외력에 대한 저항력으로 발현되어 피스톤(30)의 하방이동을 억제한다.

이때, 압축저항력(F압), 유동저항력(F유) 및 전단력(F전)은 요크(50), 피스 톤(30) 및 하우징(10)의 직경(또는 가로,세로)을 변경하거나 형상을 변경함으로써 조합이 가능하며, 세 가지 저항력 모두를 구현할 수 있다. 또한, 이러한 저항력은 제어수단(미도시)이 자기장인가수단(60)에 제공되는 전원을 증감함으로써 결국 다양한 세기의 강성으로 발현된다(S400).

다음으로, 피스톤(30)의 이동에 의해 밀려나온 자기유변유체(5)가 탄성제공수단(40)에 수용된다. 즉, 누름판(20)에 가해진 외력에 따라 피스톤(30)이 침습되는 부피만큼 점차 밀려나오는 자기유변유체(5)는 도 11에 도시된 탄성제공수단(40)의 제 2 스프링(442) 및 탄성막(42)에 수용된다(S500).

마지막으로, 누름판(20)의 초기 위치로의 복원속도를 조절하기 위해 자기장인가수단(60)에 인가되는 전원을 제어한다. 이러한 누름판(20)의 복원속도 조절은 제어수단(미도시)를 통해 이루어진다. 즉, 제어수단은 탄성제공수단(40)의 탄성력이 작용하는 상태에서 자기장인가수단(60)에 제공되는 전원의 세기를 변경함에 따른 자기유변유체(5)의 점성변화를 통해 복원속도를 조절한다. 이때, 탄성제공수단(40)의 탄성력은 자기장이 인가되지 않은 자기유변유체(5)의 자체 점성에 의한 저항력보다 크게 하는 것이 바람직하다. 이는 피스톤(30)의 복원을 위해 자기장인가수단(60)에 전원을 제거하면, 즉시 누름판(20)이 초기 위치로 복원될 수 있도록 하기 위함이다. 또한, 자기장인가수단(60)에 제공되는 전원의 세기를 제어수단을 통해 제어함으로써 누름판(20)의 정지(자기장을 강하게 형성) 및 정지 해제(자기장의 제거)를 가능하게 하기 위함이다.

이렇게 누름판(20)의 정지 및 정지 해제가 가능한 강성구현장치(1)를 구현함 으로써 터치스크린(400) 상에 표시되는 작동 버튼(예: MP3 플레이 버튼, MP3 정지 버튼 등) 등에 유용하게 사용될 수 있다. 하지만, 이러한 탄성제공수단(40)의 탄성력의 세기는 강성구현장치(1)의 사용목적 및 용도에 따라 변경가능함은 물론이다.

한편, 누름판(20)이 초기 위치로 복원되면, 이와 연결된 피스톤(30)도 본래의 위치로 복원된다. 그리고 밀려나온 자기유변유체(5)를 수용하고 있던 탄성제공수단(40)의 제 2 스프링(442) 및 탄성막(42)은 자기유변유체(5)가 피스톤(30)의 유동홈(36)으로 흘러들어가면서 평평한 상태로 복원된다(S600).

(버튼 클릭감을 구현하는 제어방법)

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 자기유변유체를 이용한 강성구현장치(1)를 통해 버튼 클릭감을 구현하는 제어방법에 대하여 설명한다. 도 15는 본 발명에 따른 강성구현장치를 이용하여 버튼 클릭감을 구현하기 위한 순서도이고, 도 16은 버튼 클릭 시 누르는 깊이와 힘의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 15 및 도 16에 도시된 바와 같이, 먼저, 누름판(20)이 하방(도 16의 도면상)으로 제 1 단계 깊이(C)까지 이동하는 동안 저항력이 증대된다. 이렇게 누름판(20)의 이동에 따라 저항력을 증대시키는 단계는 누름판(20)의 하방이동에 따라 증가하는 탄성제공수단(40) 즉, 제 1 스프링(441), 제 2 스프링(442) 및 탄성막(42)의 탄성력만으로도 충분히 이루어질 수 있다. 그러나 필요에 따라서, 제어수단은 자기장인가수단(60)에 전원을 제공하여 자기유변유체(5)의 점성을 증대함으로써 저항력을 보다 증대할 수 있다(S1000).

다음으로, 누름판(20)이 하방으로 제 1 단계 깊이(C) 이후 제 2 단계 깊이(D)까지 이동하는 동안 저항력은 제 1 단계 깊이(C)에서 작용한 저항력보다 현저히 작은 크기로 일정하게 유지된다. 이를 위해 제어수단은 일례로서, 자기장인가수단(60)에 제공되는 전원을 제거함으로써 전체적인 저항력을 감소시킬 수 있다. 다만, 일정한 저항력을 유지하기 위해서는 누름판(20)이 하방으로 이동함에 따라 증대되는 탄성제공수단(40)의 탄성력 및 자기장 강화 현상(도 13 참조)을 상쇄시켜야 한다. 따라서 제어수단은 자기장인가수단(60)에 제공되는 전원의 세기를 일정수준으로 낮춘 후 서서히 감소시키는 방식으로 전원을 제거하여 증대되는 탄성제공수단(40)의 탄성력 및 자기장 강화 현상을 상쇄시킴으로써 일정한 저항력을 유지하도록 하는 것이 바람직하다(S2000).

마지막으로, 누름판(20)이 제 2 단계 깊이(D)를 넘어서 하방으로 이동하는 경우 급격히 증대된 저항력이 발생하도록 한다. 이를 위해 제어수단은 제공가능한 범위 내에서 최대 전원을 자기장인가수단(60)에 인가한다. 이로 인해 자기유변유체(5)의 점성에 의한 압축저항력(F압), 유동저항력(F유) 및 전단력(F전)은 최대가된다(S3000). 이러한 3 단계 과정을 통해 사용자는 버튼 클릭감을 느낄 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시예들은 모든 면에 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 권리범 위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 정해지며, 특허청구범위의 의미 및 균등개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.

도 1은 본 발명에 따른 강성구현장치의 분해사시도.

도 2는 본 발명에 따른 강성구현장치의 결합사시도.

도 3은 도 2의 A-A' 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 강성구현장치의 피스톤의 각기 다른 실시예를 나타내는 정면도.

도 5는 본 발명에 따른 강성구현장치의 판상스프링의 각기 다른 실시예를 나타내는 정면도.

도 6은 본 발명에 따른 강성구현장치를 이용한 햅틱제공장치가 노트북에 이용된 경우의 사시도.

도 7은 본 발명에 따른 강성구현장치를 이용한 햅틱제공장치가 휴대폰에 적용된 경우의 사시도.

도 8은 본 발명에 따른 강성구현장치를 이용한 초소형 이동체의 사시도.

도 9는 본 발명에 따른 강성구현장치를 이용한 버튼의 사시도.

도 10은 본 발명에 따른 강성구현장치의 제어방법에 따른 순서도.

도 11은 본 발명에 따른 강성구현장치에 외력이 작용한 경우 자기유변유체의 흐름을 나타낸 단면도.

도 12는 본 발명에 따른 강성구현장치에 자기장이 인가된 경우 자력의 방향을 나타내는 단면도 및 B-B' 단면도.

도 13은 피스톤의 일방향 이동에 따른 자기장의 변화를 나타낸 단면도.

도 14는 자기유변유체에 자기장이 인가된 경우 발생하는 다양한 모드의 저항력을 나타낸 단면도.

도 15는 본 발명에 따른 강성구현장치를 이용하여 버튼 클릭감을 구현하기 위한 순서도.

도 16은 버튼 클릭 시 누르는 깊이와 힘의 관계를 나타낸 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 자기유변유체를 이용한 강성구현장치

2: 손가락 3: 노트북

4: 휴대폰 5: 자기유변유체

10: 하우징 20: 누름판

30: 피스톤 32: 연결홈

34: 압축홈 36: 유동홈

38: 유동홀 40: 탄성제공수단

42: 탄성막 44: 판상스프링

50: 요크 60: 자기장인가수단

62: 코일 100: 햅틱제공장치

110: 회로 기판 200: 압력센서

300: 터치패드 400: 터치스크린

441: 제 1 스프링 442: 제 2 스프링

444: 관통홀 500: 초소형 이동체

600: 가변형 버튼 610: 버튼덮개

Claims (19)

1. 자기유변유체를 내부에 수용하는 하우징;

   상기 하우징의 상부에 구비되어 외력이 작용하는 누름판;

   상기 누름판과 연결되어 상기 하우징 내에서 일방향으로 왕복하고 하단에 압축홈이 형성된 피스톤;

   상기 누름판과 상기 피스톤 사이에 구비되어, 상기 외력에 따라 이동하는 상기 누름판에 탄성력을 제공하고, 상기 이동하는 누름판에 의해 밀려나오는 상기 자기유변유체를 수용함과 동시에 탄성력을 제공하는 탄성제공수단;

   상기 하우징 내부에 구비되어 상기 피스톤의 왕복에 따라 상기 압축홈에 삽출하는 요크; 및

   상기 하우징 내부에 구비되어 상기 자기유변유체에 자기장을 인가하는 자기장인가수단;을 포함하여,

   상기 자기장의 세기에 따라 상기 자기유변유체의 점성을 조절함으로써 상기 외력에 대한 저항력인 강성을 구현하는 것을 특징으로 하는 자기유변유체를 이용한 강성구현장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 하우징은 길이방향을 기준으로 횡단면의 형상이 원형, 타원형 또는 다각형인 것을 특징으로 하는 자기유변유체를 이용한 강성구현장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 피스톤의 왕복시 상기 자기유변유체가 이동할 수 있도록 상기 피스톤 외주면을 따라 소정간격으로 상기 피스톤의 왕복방향과 평행하게 유동홈을 더 형성한 것을 특징으로 하는 자기유변유체를 이용한 강성구현장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 하우징, 상기 피스톤 및 상기 요크의 재질은 강자성체인 것을 특징으로 하는 자기유변유체를 이용한 강성구현장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 탄성제공수단은 상기 누름판과 상기 피스톤 사이에 구비되어 외곽이 상기 하우징과 고정결합하는 탄성막인 것을 특징으로 하는 자기유변유체를 이용한 강성구현장치.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 탄성제공수단은 상기 탄성막 상부에 구비되어 상기 하우징과 고정결합하는 나선형의 관통된 홈이 형성된 판상스프링을 더 구비한 것을 특징으로 하는 자기유변유체를 이용한 강성구현장치.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 판상스프링은,

   상기 누름판과 연결되는 중심영역에 형성된 나선형의 제 1 스프링; 및

   상기 중심영역의 외곽에 적어도 하나가 형성된 나선형의 제 2 스프링;을 포함한 것을 특징으로 하는 자기유변유체를 이용한 강성구현장치.
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 판상스프링은,

   상기 누름판과 연결되는 중심영역에 형성된 나선형의 제 1 스프링; 및

   상기 중심영역의 외곽에 형성된 적어도 하나의 관통홀;을 포함한 것을 특징으로 하는 자기유변유체를 이용한 강성구현장치.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 자기장인가수단은 상기 요크 하단에 권취되는 코일로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기유변유체를 이용한 강성구현장치.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 강성구현장치가 복수 개 구비되고,

    상기 강성구현장치의 누름판 상부에는 사용자에게 햅틱 피드백을 제공할 수 있도록 터치패드 또는 터치스크린이 더 구비된 것을 특징으로 하는 햅틱제공장치.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 터치패드 또는 터치스크린과 상기 누름판 상부 사이에는 압력센서가 더 구비된 것을 특징으로 하는 햅틱제공장치.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 압력센서의 출력신호에 기초하여 상기 강성구현장치의 자기장인가수단에 제공되는 전원을 제어하는 제어수단이 더 포함된 것을 특징으로 하는 햅틱제공장치.
13. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 강성구현장치를 댐퍼로 이용한 것을 특징으로 하는 초소형 이동체.
14. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 강성구현장치를 이용하여 사용자에게 다양한 버튼감을 제공하는 것을 특징으로 하는 가변형 버튼.
15. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 강성구현장치의 제어방법에 있어서,

    누름판에 외력이 가해져 상기 누름판 및 피스톤이 일방향으로 이동하는 단계;

    상기 외력에 기초하여 자기장인가수단이 전원을 인가받아 자기장을 발생하는 단계;

    상기 발생된 자기장에 의하여 자기유변유체의 점성이 증가하는 단계;

    상기 자기유변유체의 점성증가로 인해 상기 피스톤의 이동이 억제됨에 따라 상기 외력에 대한 저항력인 강성이 발현되는 단계; 및

    상기 피스톤의 이동에 의해 밀려나온 상기 자기유변유체가 탄성제공수단에 수용되는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기유변유체를 이용한 강성구현장치의 제어방법.
16. 제 15 항에 있어서,

    상기 자기장인가수단이 전원을 인가받아 자기장을 발생하는 단계는,

    압력센서가 상기 외력의 세기를 검출하는 단계; 및

    상기 압력센서의 검출정보에 기초하여 상기 자기장인가수단에 인가되는 전원의 세기를 제어하는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기유변유체를 이용한 강성구현장치의 제어방법.
17. 제 15 항에 있어서,

    상기 강성이 발현되는 단계의 상기 저항력은,

    상기 탄성제공수단의 탄성력을 포함하고,

    상기 피스톤의 상부 내면과 요크의 상면 사이의 압축저항력, 상기 피스톤의 내측면과 상기 요크의 측면 사이의 전단력과 유동저항력 및 하우징과 상기 피스톤이 서로 인접하는 면 사이의 전단력 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기유변유체를 이용한 강성구현장치의 제어방법.
18. 제 15 항에 있어서,

    상기 누름판의 초기 위치로의 복원속도를 조절하기 위해 상기 자기장인가수단에 인가되는 전원을 제어하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기유변유체를 이용한 강성구현장치의 제어방법.
19. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 강성구현장치의 제어방법에 있어서,

    누름판이 외력에 의해 제 1 단계 깊이까지 이동하는 동안 저항력이 증대되는 단계;

    상기 누름판이 외력에 의해 상기 제 1 단계 깊이 이후 제 2 단계 깊이까지 이동하는 동안 저항력은 상기 제 1 단계 깊이에서 작용한 저항력보다 작은 크기로 일정하게 유지되는 단계; 및

    상기 누름판이 외력에 의해 상기 제 2 단계 깊이를 넘어서 이동하는 경우 증대된 저항력이 발생하는 단계;로 이루어져,

    버튼 클릭감을 구현한 것을 특징으로 하는 자기유변유체를 이용한 강성구현장치의 제어방법.

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