KR101037545B1 - 촉감표현장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 촉감표현장치에 관한 것으로, 내부에 개구부를 갖는 링 형상의 탄성 플레이트, 상기 탄성 플레이트의 상부 및 하부에 각각 구비되어, 인가되는 전압에 따라 수축 및 팽창하여 구동변위를 생성하는 압전체, 및 상기 압전체의 상부에 일측이 고정되고 타측이 상기 개구부를 향하여 연장되는 구동변위 전달바를 포함하는 것을 특징으로 하며, 구조가 간단하고, 구동변위가 큰 촉감표현장치를 제공한다.

탄성 플레이트, 압전체, 구동변위 전달바, 구동변위, 압전층, 전극부

Description

촉감표현장치{Touch expression device}

본 발명은 촉감표현장치에 관한 것이다.

최근 전자제품을 간편하게 사용하려는 사용자의 요구에 따라 전자제품을 터치하여 입력하는, 예를 들어 터치스크린과 같은 촉감표현장치의 사용이 보편화되고 있다. 촉감표현장치는 터치하여 입력하는 개념 이외에도 인터페이스에 사용자의 직관적 경험을 반영하고 피드백을 좀더 다양화하는 개념이 포함된다.

촉감표현장치는 공간절약이 가능하고 조작성 향상과 간편성을 이룰 수 있고, 사양변경이 간편하며 이용자 인식이 높다는 점 외에도 IT 기기와의 연동성이 용이하다는 많은 장점이 있다. 이와 같은 장점으로 인해, 산업, 교통, 서비스, 의료, 모바일 등 다양한 분야에서 폭넓게 이용되고 있다.

이와 같은 촉감표현장치는 화면 속의 물체, 버튼, 아이콘 등을 만지는 촉감정보를 표현하는 장치로써 사용자에게 실제처럼 촉감을 전달해주는 것이 쉽지 않으며 이를 위한 촉감표현장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

여러가지 촉감표현장치의 기술들 중 현재 상품화되어 있는 기술들도 많이 있는데 그중 하나가 진동방식을 이용한 진동모터이다.

도 1에는 종래의 일예에 따른 진동모터의 단면도가 도시되어 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래기술에 따른 진동모터(10)는 기판(15)이 고정된 하판과 상기 하판의 상부를 커버하며 내부공간을 구획하는 상판으로된 케이스(11), 상기 케이스(11)에 의해 지지되는 샤프트(13), 상기 케이스(11)의 하판 상면 테두리부측에는 고정자인 마그네트(17), 및 상기 샤프트(13)에 회전가능하게 설치된 편심된 회전자(19)를 포함하여 구성된다.

여기서, 회전자(19)는 편심된 회전자기판(19a), 회전자기판(19a)의 상면에 각각 설치된 코일(19b)과 웨이트(19c), 회전자 기판(19a)의 하면에 형성된 정류자(19d) 및 회전자기판(19a)과 코일(19b)과 웨이트(19c)를 일체로 연결하는 몰딩부재(19e)를 포함하여 구성된다.

또한, 기판(15)에는 브러쉬(23)의 일측이 납땜 접속되는데, 브러쉬(23)의 타측은 정류자(19d)에 접속되어 외부의 전원을 코일(19b)로 전달한다.

이러한 구조를 채용하는 브러시형 진동모터(10)는 외부의 전원이 기판(15)→브러쉬(23)→정류자(19d)를 통하여 코일(19b)로 공급되면, 코일(19b)과 마그네트(17) 사이에 형성되는 전자기력에 의하여 회전자(19)가 회전하면서 진동을 발생시키게 된다.

그러나, 이러한 진동모터(10)는 브러쉬(23)가 정류자(19d)의 세그먼트와 또 다른 세그먼트 사이의 극간을 지나면서 기계적인 마찰과 전기적인 스파크 및 마모 를 발생시키고, 이로 인해 블랙 파우더(black powder)와 같은 이물질을 생성하여 진동 발생장치의 수명을 단축시키는 문제점이 있었다.

또한, 구조가 복잡할 뿐만 아니라, 크기의 소형화에 제약이 따르고 동작 주파수도 수백 Hz로 제한되어 그 응용분야가 제한적인 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 구조가 간단하고, 구동변위가 큰 촉감표현장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 촉감표현장치는, 내부에 개구부를 갖는 링 형상의 탄성 플레이트, 상기 탄성 플레이트의 상부 및 하부에 각각 구비되어, 인가되는 전압에 따라 수축 및 팽창하여 구동변위를 생성하는 압전체, 및 상기 압전체의 상부에 일측이 고정되고 타측이 상기 개구부를 향하여 연장되는 구동변위 전달바를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 압전체는 상기 탄성 플레이트와 동일한 형상 및 크기를 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 압전체는 상기 탄성 플레이트의 상부에 구비되며, 제1 압전층의 양면에 전압을 인가받는 제1 상부 전극부와 제1 하부 전극부가 형성된 구조를 갖는 제1 압전체, 및 상기 탄성 플레이트의 하부에 구비되며, 제2 압전층의 양면에 전압을 인가받는 제2 상부 전극부와 제2 하부 전극부가 형성된 구조를 갖는 제2 압전체를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 압전층과 상기 제2 압전층의 분극방향이 동일할 때, 상기 제1 상부 전극부와 상기 제2 하부 전극부는 제1 전극을 인가받고, 상기 제1 하부 전극부와 상기 제2 상부 전극부는 상기 제1 전극과 반대되는 제2 전극을 인가받는 것 을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 압전층과 상기 제2 압전층의 분극방향이 다를 때, 상기 제1 상부 전극부와 상기 제2 상부 전극부는 제1 전극을 인가받고, 상기 제1 하부 전극부와 상기 제2 하부 전극부는 상기 제1 전극과 반대되는 제2 전극을 인가받는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 구동변위 전달바는 금속재질로 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 구동변위 전달바의 타측은 피구동부재와 접촉하여 상기 구동변위를 전달하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 구동변위 전달바의 타측은 상기 피구동부재와 접촉하는 방향을 향하여 단차지게 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 촉감표현장치는, 내부에 개구부를 갖는 링 형상을 가지며, 중앙 전극부의 상면에 상부 압전층과 상부 전극부가 형성되고, 하면에 하부 압전층과 하부 전극부가 형성되어, 인가되는 전압에 따라 수축 및 팽창하여 구동변위를 생성하는 압전체, 및 상기 압전체의 상부에 일측이 고정되고 타측이 상기 개구부를 향하여 연장되는 구동변위 전달바를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 상부 전극부와 상기 하부 전극부는 동일한 전극이 인가되되, 상기 중앙 전극부와 다른 전극이 인가되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 구동변위 전달바는 금속재질로 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 구동변위 전달바의 타측은 피구동부재와 접촉하여 상기 구동변위를 전달하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 구동변위 전달바의 타측은 상기 피구동부재와 접촉하는 방향을 향하여 단차지게 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명에 따르면, 링형상을 갖는 압전체에 구비된 구동변위 전달바가 압전체의 굴곡변형에 대해 큰 구동변위를 가짐으로써, 피구동부재에 전달되는 구동변위 전달량(특히, Z방향으로의 변위 전달량)을 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라, 종래구조에 비해 단순한 구조를 갖게 된다.

또한, 본 발명에 따르면, 탄성 플레이트를 구비함으로써, 압전체로부터 발생하는 굴곡변형을 자체 탄성력으로 증대시킴으로써, 보다 큰 구동변위 전달이 가능하게 된다.

또한, 본 발명에 따르면, 구동변위 전달바의 형상을 변형시킴으로써, 사용목 적에 따라 피구동부재로 전달되는 구동변위를 제어할 수 있게 되며, 특히 구동변위 전달바에 단차부를 형성함으로써 Z방향으로의 변위 전달량을 증대시킬 수 있게 된다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 촉감표현장치의 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 촉감표현장치의 절단 단면도이다. 이하, 이를 참조하여 본 실시예에 따른 촉감표현장치(100)에 대해 설명하기로 한다.

도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 촉감표현장치(100)는 탄성 플레이트(110)의 양측에 압전체(120)가 구비되고, 하나의 압전체(120)에 구동 변위를 전달하기 위한 구동변위 전달바(130)가 구비된 것을 특징으로 한다.

탄성 플레이트(110)는 내부에 개구부를 갖는 링형상(원형 띠, 도넛(donuts) 형상)으로 형성되어, 굴곡변형(수축 및 팽창)력을 발생시키는 압전체(120)의 구동변위를 증대시키는 역할을 수행하게 된다.

여기서, 탄성 플레이트(110)의 형상 및 크기는 촉감표현장치(100)의 전체 크기를 결정할 뿐만 아니라, 촉감표현장치(100)의 구동변위 및 공진주파수 등에 영향을 주는 요소이므로, 사용목적에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 즉, 탄성 플레이트(110)의 개구부 직경과 폭은 필요에 따라 변경가능하다 할 것이다.

예를 들어, 탄성 플레이트(110)는 일정한 지지력을 가지면서, 자체 탄성력에 의해 굴곡변형량을 증대시킬 수 있는 재질로 형성되며, 예를 들어, 강철, 황동, 구리, 알루미늄, 티타늄, 텅스텐 등의 휘어짐이 가능한 금속재질로 형성되는 것이 바람직하다.

압전체(120)는 전원인가시 수축 및 팽창하여 구동변위를 생성하기 위한 것으로, 예를 들어, 2개의 압전층으로부터 인가되는 전원에 따라 발진하는 형상을 갖는 바이몰프(Bimorph) 타입의 구조를 갖는다.

구체적으로, 압전체(120)는 탄성 플레이트(110)와 동일한 형상과 크기를 갖되, 탄성 플레이트(110)의 상부에 구비되는 제1 압전체(120a)와 탄성 플레이트(110)의 하부에 구비되는 제2 압전체(120b)로 구성된다.

여기서, 제1 압전체(120a)는 탄성 플레이트(110)의 상부에 구비되되, 제1 압전층(122a)의 상부에 전원을 인가받는 제1 상부 전극부(124a)가 형성되고, 하부에 배치되어 탄성 플레이트(110)의 상부와 접촉하는 제1 하부 전극부(126a)가 형성된 구조를 갖는다. 또한, 제2 압전체(120b)는 탄성 플레이트(110)의 하부에 구비되되, 상부에 구비되어 전원을 인가받되 탄성 플레이트(110)의 하부에 접촉하는 제2 상부 전극부(124b)와 하부에 구비되는 제2 하부 전극부(126b)가 형성된 구조를 갖는다. 이때, 제1 압전층(122a)과 제2 압전층(122b)은 PZT(압전 세라믹), 압전 크리스탈과 같은 다양한 압전물질로 형성된다.

한편, 제1 압전층(122a)과 제2 압전층(122b)의 분극(polling) 방향이 동일한 경우에는, 제1 상부 전극부(124a)와 제2 하부 전극부(126b)는 제1 전극(예를 들어, +전극)을 인가받고, 제1 하부 전극부(126a)와 상기 제2 상부 전극부(124b)는 제1 전극과 반대되는 제2 전극(예를 들어, -전극)을 인가받아 구동변위를 생성하게 된다.

또한, 제1 압전층(122a)과 제2 압전층(122b)의 분극방향이 다를 경우에는, 제1 상부 전극부(124a)와 제2 상부 전극부(124b)는 제1 전극(예를 들어, +전극)을 인가받고, 제1 하부 전극부(126a)와 상기 제2 하부 전극부(126b)는 제1 전극과 반대되는 제2 전극(예를 들어, -전극)을 인가받아 구동변위를 생성하게 된다.

구동변위 전달바(130)는 압전체(120)의 구동변위를 피구동부재에 전달하기 위한 것으로서, 제1 압전체(120a) 또는 제2 압전체(120b)의 최외부에 일측이 고정 되어 개구부를 향하여 내측방향으로 타측이 연장된 구조를 가지며, 타측이 피구동부재와 접촉하여 구동변위를 전달하는 역할을 수행한다. 도 2에는 제1 압전체(120a)의 제1 상부 전극부(124a)에 구동변위 전달바(130)의 일측이 고정되는 것으로 도시하였다.

예를 들어, 구동변위 전달바(130)는 피구동부재에 대한 접촉면적을 작게 형성할 필요가 있는 경우, 일측으로부터 타측으로 갈수록 폭이 좁아지는 구조를 갖는 것이 바람직하다. 즉, 일측의 폭을 크게 함으로써 제1 압전체(120a)에 안정적으로 고정되며, 타측의 폭을 줄임으로써 피구동부재에 대한 접촉면적을 최소화하는 구조를 가질 수 있다. 한편, 이외에도 사용목적에 따라 구동변위 전달바(130)는 다양한 형상을 가질 수 있는데, 이에 대해서는 도 7에서 상세히 설명하기로 한다.

여기서, 구동변위 전달바(130)는 구동변위 전달을 위한 어떠한 재질을 가질 수 있으며, 예를 들어 금속재질로 형성된다.

한편, 구동변위 전달바(130)는 개구부를 향하여 그 길이가 필요에 따라 제어될 수 있다(도 2의 (a) 및 (b) 참조).

도 4 내지 도 6은 도 2에 도시된 촉감표현장치의 동작상태를 나타내는 도면이다. 여기서, 도 4는 촉감표현장치(100)의 변형전 상태를 나타내고, 도 5는 촉감표현장치(100)가 상부로 변형된 상태를 나타내며, 도 6은 촉감표현장치(100)가 하부로 변형된 상태를 나타낸다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 압전체(120)의 작은 변형량이 발생하더라도, 구동변위 전달바(130)가 큰 구동변위를 갖게 되기 때문 에, 구동변위 전달바(130)의 타단에 접촉하는 피구동부재에는 큰 구동변위, 특히 Z방향으로 큰 구동변위가 전달되게 된다.

도 7은 도 2에 도시된 촉감표현장치의 변형예이다. 본 변형예는 탄성 플레이트(110)의 형상을 제외하고는 도 2에 도시된 촉감표현장치(100)와 동일하므로, 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조번호를 부여하고 중복되는 부분에 대한 설명은 생략하기로 한다.

도 7에 도시한 바와 같이, 촉감표현장치는 폭이 일정한 구조를 갖는 탄성 플레이트(130a)(도 7의 (a) 참조), 타측 단부에 넓은 폭의 접촉부(132b)를 갖는 탄성 플레이트(130b)(도 7의 (b) 참조), 및 타측 단부에서 단차부(132c)를 갖는 탄성 플레이트(130c)(도 7의 (c) 참조)를 가질 수 있다. 여기서, 넓은 폭의 접촉부(132b)는 피구동부재와의 접촉면적을 넓게 할 필요가 있는 경우에 사용되며, 단차부(132c)는 Z방향으로 보다 큰 구동변위 전달이 필요한 경우 사용될 수 있다. 한편, 이외에도 사용목적에 따라 다양한 형상으로 변경될 수 있음을 자명하다 할 것이며, 이 또한 본 발명의 범주 내에 포함된다고 할 것이다.

도 8은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 다른 촉감표현장치의 단면도이다. 이하, 이를 참조하여 본 실시예에 따른 촉감표현장치(200)에 대해 설명하기로 한다. 본 실시예는 탄성 플레이트를 사용하지 않는 점 및 압전체의 구조를 제외하고 는 이전 실시예와 동일하므로, 중복되는 부분에 대한 설명은 생략하기로 한다.

도 8에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 촉감표현장치(200)는 내부에 개구부를 갖는 링 형상을 가지며, 중앙 전극부(212)의 상면에 상부 압전층(214a)과 상부 전극부(216a)가 형성되고, 하면에 하부 압전층(214b)과 하부 전극부(216b)가 형성되어, 인가되는 전압에 따라 수축 및 팽창하여 구동변위를 생성하는 압전체(210), 및 압전체(210)의 상부에 일측이 고정되고 타측이 개구부를 향하여 연장되는 구동변위 전달바(230)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 중앙 전극부(212)는 상부 압전층(214a)과 하부 압전층(214b)에 대한 공통 전극부의 기능을 수행하게 된다. 이때, 상부 전극부(216a)와 하부 전극부(216b)는 동일한 전극(예를 들어, +전극)이 인가되되, 중앙 전극부(212)와 다른 전극(예를 들어, -전극)이 인가된다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 촉감표현장치는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

도 1은 종래의 일예에 따른 진동모터의 단면도이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 촉감표현장치의 사시도이다.

도 3은 도 2에 도시된 촉감표현장치의 절단 단면도이다.

도 4 내지 도 6은 도 2에 도시된 촉감표현장치의 동작상태를 나타내는 도면이다.

도 7은 도 2에 도시된 촉감표현장치의 변형예이다.

도 8은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 다른 촉감표현장치의 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

110 : 탄성 플레이트 120a, 120b : 압전체

122a, 122b : 압전층 124a, 124b : 상부 전극부

126a, 126b : 하부 전극부

130, 130a, 130b, 130c : 구동변위 전달바

210 : 압전체 212 : 중앙 전극부

214a, 214b: 압전층 216a : 상부 전극부

216b : 하부 전극부 230 : 구동변위 전달바

Claims (13)

1. 내부에 개구부를 갖는 링 형상의 탄성 플레이트;

   상기 탄성 플레이트의 상부 및 하부에 각각 구비되어, 인가되는 전압에 따라 수축 및 팽창하여 구동변위를 생성하는 압전체; 및

   상기 압전체의 상부에 일측이 고정되고 타측이 상기 개구부를 향하여 연장되는 구동변위 전달바;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉감표현장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 압전체는 상기 탄성 플레이트와 동일한 형상 및 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 촉감표현장치.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 압전체는,

   상기 탄성 플레이트의 상부에 구비되며, 제1 압전층의 양면에 전압을 인가받는 제1 상부 전극부와 제1 하부 전극부가 형성된 구조를 갖는 제1 압전체; 및

   상기 탄성 플레이트의 하부에 구비되며, 제2 압전층의 양면에 전압을 인가받는 제2 상부 전극부와 제2 하부 전극부가 형성된 구조를 갖는 제2 압전체;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉감표현장치.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 제1 압전층과 상기 제2 압전층의 분극방향이 동일할 때, 상기 제1 상부 전극부와 상기 제2 하부 전극부는 제1 전극을 인가받고, 상기 제1 하부 전극부와 상기 제2 상부 전극부는 상기 제1 전극과 반대되는 제2 전극을 인가받는 것을 특징으로 하는 촉감표현장치.
5. 청구항 3에 있어서,

   상기 제1 압전층과 상기 제2 압전층의 분극방향이 다를 때, 상기 제1 상부 전극부와 상기 제2 상부 전극부는 제1 전극을 인가받고, 상기 제1 하부 전극부와 상기 제2 하부 전극부는 상기 제1 전극과 반대되는 제2 전극을 인가받는 것을 특징으로 하는 촉감표현장치.
6. 청구항 1에 있어서,

   상기 구동변위 전달바는 금속재질로 형성된 것을 특징으로 하는 촉감표현장치.
7. 청구항 1에 있어서,

   상기 구동변위 전달바의 타측은 피구동부재와 접촉하여 상기 구동변위를 전달하는 것을 특징으로 하는 촉감표현장치.
8. 청구항 7에 있어서,

   상기 구동변위 전달바의 타측은 상기 피구동부재와 접촉하는 방향을 향하여 단차지게 형성된 것을 특징으로 하는 촉감표현장치.
9. 내부에 개구부를 갖는 링 형상을 가지며, 중앙 전극부의 상면에 상부 압전층과 상부 전극부가 형성되고, 하면에 하부 압전층과 하부 전극부가 형성되어, 인가되는 전압에 따라 수축 및 팽창하여 구동변위를 생성하는 압전체; 및

   상기 압전체의 상부에 일측이 고정되고 타측이 상기 개구부를 향하여 연장되는 구동변위 전달바;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉감표현장치.
10. 청구항 9에 있어서,

    상기 상부 전극부와 상기 하부 전극부는 동일한 전극이 인가되되, 상기 중앙 전극부와 다른 전극이 인가되는 것을 특징으로 하는 촉감표현장치.
11. 청구항 9에 있어서,

    상기 구동변위 전달바는 금속재질로 형성된 것을 특징으로 하는 촉감표현장치.
12. 청구항 9에 있어서,

    상기 구동변위 전달바의 타측은 피구동부재와 접촉하여 상기 구동변위를 전달하는 것을 특징으로 하는 촉감표현장치.
13. 청구항 12에 있어서,

    상기 구동변위 전달바의 타측은 상기 피구동부재와 접촉하는 방향을 향하여 단차지게 형성된 것을 특징으로 하는 촉감표현장치.

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