KR101058264B1

KR101058264B1 - 솔레노이드 어레이로 구성된 스캔방식 촉각 디스플레이

Info

Publication number: KR101058264B1
Application number: KR1020090086727A
Authority: KR
Inventors: 이정열
Original assignee: 이정열
Priority date: 2009-09-14
Filing date: 2009-09-14
Publication date: 2011-08-22
Also published as: KR20090103984A

Abstract

본 발명은 솔레노이드 어레이로 구성된 스캔방식 촉각 디스플레이에 관한 것으로 돌출, 몰입에 의해 촉각이 느껴지도록 상하로 움직일 수 있는 핀, 핀의 운동이 상하방향으로 국한되도록 제한하는 한 개 이상의 가이드판, 핀이 상하운동 중에는 핀을 구속하지 않고, 핀의 상하운동이 완료 후 핀 위치를 고정해주는 고정수단, 가이드판 하부를 왕복운동하는 구동기 프레임,구동기 프레임에 고정된 코일, 코일에 인가된 전기 신호 유무에 따라 코일에 의한 자기력을 받는 영구자석, 영구자석을 고정한 채 스프링의 고정단은 구동기 프레임에 고정되고, 자유단은 핀 하부를 타격할 수 있도록 설치된 탄성판으로 구성된 것을 특징으로 한다.

촉각디스플레이

Description

솔레노이드 어레이로 구성된 스캔방식 촉각 디스플레이 {Scan type tactile display composed of solenoid array}

점자 디스플레이, 그래픽 촉각 디스플레이, 극소형 구동기

시각장애인의 보행을 돕기 위한 도구로서 가장 흔하게 사용되는 것이 흰지팡이다. 이 지팡이는 지형지물을 직접 촉각을 통해 확인하여 장애물이나 위험물을 피하여 보행하기 위해 사용된다. 그렇지만 이 지팡이로는 직접 두드릴 수 있는 1m 내외의 지형지물만 확인할 수 있을 뿐이고 좀 더 먼 거리에 있어 촉각을 통한 확인이 어려운 장애물을 미리 파악하여 다른 경로를 선택하는 등의 대응이 불가능하다. 이런 고수준의 보행을 위해서는 원거리 탐색이 가능한 시각 보조장치가 있어야 한다.

그러나, 이런 시각장애인 시각 보조장치를 상용화하는 작업은 더디기만 하다. 핵심 원인은 시각을 촉각으로 보완해주어야 한다는 장치 자체의 문제에서 출발한다. 촉각으로 알려주기 위해서는 힘을 전달할 수 있는 구동기가 필요한데, 원거리 시각을 보완해줄 수 있을 정도의, 최소 수백개에서 많게는 수만개에 이르는 극소 구동기를 구비하기 위해서는 엄청난 비용이 들어간다.

구동기의 수를 줄이기 위해서는 스캔 방식으로 구성하여 핀 구동기가 움직이 면서 특정 위치의 핀을 제어하는 방법을 사용해야 하는데, 여기서 중요한 설계 포인트는 핀 구동기가 지나간 뒤 핀이 지정된 위치를 유지할 수 있어야 한다는 것이다. 기존의 특허 (US6700553) 에서는 핀 하부가 있는 핀과 탄성 고정바를 사용하고 있는데 핀에 ON (ON은 핀이 돌출된 상태, OFF는 핀이 들어간 상태) 정보를 표시하기 위해서 핀을 밀어 올리면 이때 탄성 고정바가 순간적으로 수축하며서 핀 하부를 지난 후 홈에 자리를 잡으면서 정보를 유지하게 된다. 만약 고정바를 공유하는 인접핀이 동시에 ON 되는 경우에는 두개핀의 핀 하부 부분이 동시에 고정바를 통과하게 되어 고정바 마모가 심하고 구동기의 출력이 높아야 한다. 또한, 핀을 ON 시킨 후 개별적으로 OFF 시킬 방법이 없으므로 디스플레이 전체를 한번에 OFF 시키는 OFF용 판을 따로 설치하여 구동시키고 있는데, 이런 경우 표시효율이 낮아지는데 비해 OFF판 등 추가적인 부품 소요로 제조 원가는 높아진다. 예를 들어 중앙의 핀의 경우 사용시간의 50%만 제대로 된 정보를 표시하고 나머지 시간은 OFF 상태로 유지되고 있다.

본 발명에서는 이런 시각 보조장치에 사용될 수 있을 정도로 경제적으로 구축 가능하고 휴대하기 용이한 촉각 디스플레이를 제안한다.

스캔 방식의 촉각 디스플레이는 돌출, 몰입이 가능하도록 상하로 움직일 수 있는 핀, 이 핀 운동이 상하방향으로 국한되도록 제한하는 한 개 이상의 가이드 판, 핀이 상하운동 중에는 핀을 구속하지 않고, 핀의 상하운동이 완료 후 핀 위치를 고정해주는 고정수단과 이 핀을 구동시키기 위해 가이드 판 하부를 왕복하면서 핀을 타격하는 구동기 프레임으로 구성되는데, 구동기 프레임이 특정 열의 핀 아래에 도착하는 경우 고정수단은 해당 열의 핀에서 분리되어 해당 핀이 자유롭게 상하 운동할 수 있는 상태가 된다. 이때 구동기 프레임안의 솔레노이드 구동기가 동작하여 해당 핀 하부를 타격하여 핀의 돌출, 몰입 상태를 정하고, 이 상태로 구동기 프레임이 약간 진행하면서 고정수단은 해당 열의 핀에 다시 고정되어 해당 핀의 상태가 유지되게 된다.

이와 같이 구동기 프레임에 설치된 솔레노이드는 핀을 타격한 상태로 핀에 대해 직각방향의 상대운동을 하여 핀을 타격된 상태로 고정하게 되므로, 이 상대운동시 핀 하부와 솔레노이드의 마찰을 최소화 해야 구동기 프레임의 구동을 용이하게 할 수 있다. 또한, 구동기 프레임이 다음 핀을 향해 진행하여 솔레노이드와 다음 핀 하부가 만나는 시점에서 솔레노이드의 고장이나 핀 자체의 문제로 솔레노이드가 핀 하부에 걸려서 핀, 솔레노이드가 변형되는 등의 문제를 방지하기 위해서 솔레노이드의 핀 접촉부가 핀과 걸리지 않도록 유선형태를 갖추도록 할 필요가 있다.

이와 같이 구동기 프레임은 핀 하부에서 왕복운동 하면서 핀을 타격하는 역할이므로 구동기 프레임이 얇게 만들어질 수록 전체 촉각 디스플레이의 두께도 얇아지게 되어 휴대성이나 사용 편의성이 증가된다.이를 위해 좀 더 얇은 구동기 프레임이 될 수 있도록 솔레노이드 배치를 개선해야 한다.

핀, 솔레노이드간 마찰 최소화, 상호 걸림 방지를 위해서 솔레노이드의 자유단의 형태를 구형 혹은 실린더 형태로 만들고자 한다.

또한, 솔레노이드의 코일을 수평방향으로 장착하고, 코어를 코일에 인입한 후 코어의 단면이 영구자석과 평행을 이루도록 코어를 직각으로 변형시켜 장착하여, 기존의 구동기 프레임보다 두께 면에서 1/2 이상 줄어들도록 만들고자 한다.

핀, 솔레노이드간 마찰이 최소화되고 상호 걸림도 방지된다.

솔레노이드 구동기는 기존 구동기에 비해 1/2 이상 두께가 줄어들어 슬림한 촉각 디스플레이 구현이 가능해진다.

통상의 스캔방식의 촉각 디스플레이는 돌출, 몰입이 가능하도록 상하로 움직일 수 있는 핀(100), 이 핀(100) 운동이 상하방향으로 국한되도록 제한하는 한 개 이상의 가이드 판(110), 핀(100)이 상하운동 중에는 핀(100)을 구속하지 않고, 핀(100)의 상하운동이 완료 후 핀(100) 위치를 고정해주는 고정수단(120)과 이 핀(100)을 구동시키기 위해 가이드 판(110) 하부를 왕복하면서 핀(100)을 타격하는 구동기 프레임(130)으로 구성되는데, 이 중에서 핀(100) 위치를 고정해주는 고정수단(120)은 본 출원인이 2009년 3월 9일 출원하고 (출원번호 10-2009-0019146),2009년 3월 25일 공개된 (공개번호 10-2009-0031396) 특허에서 고정바의 형태가 실시예이므로 따로 기술하지 않는다.

가이드 판(110) 하부를 왕복하면서 핀(100)을 타격하는 구동기 프레임(130)은 구동기(140)의 자유단(151)이 몰입 된 상태로 핀(100) 하부로 진입하고, 진입 완료 후 구동기(140)의 자유단(151)이 표시할 내용 (돌출 혹은 몰입)에 따라 돌출 인 경우 자유단(151)이 위로 돌출되고, 이에 따라 핀(100) 하단이 타격되어 핀(100)이 돌출하게 된다. 만약 표시해야할 것이 핀(100)의 몰입인 경우 자유단(151)은 진입시 몰입 상태 그대로 유지되고, 핀(100)은 중력이나 핀(100)에 부착되어 있는 스프링의 복원력 등으로 인해 하강하면서 몰입 상태를 표시하게 된다.

그런데, 구동기(140)의 고장 등으로 자유단(151)이 돌출된 상태로 핀 하부(101)로 진입하는 경우 몰입 상태인 핀 하부(101)에 걸려서 구동기 프레임(130)의 진입이 불가하거나 구동기(140) 자유단(151) 혹은 핀 하부(101)가 변형되는 등 더 큰 문제로 비화될 수 있다. 이에 따라 자유단(151)에 진입을 용이하게 하도록 경사로(153)를 구비한 구동기(140)를 도3이 도시하고 있다. 이 경사로(153)는 구동기 프레임(130)이 왕복운동 하면서 핀 하부(101)에 대해 좌측에서 진입하거나 우측에서 진입하거나 진입 방향에 무관하게 핀(100)과 구동기(140) 자유단(151) 사이의 미끄러짐을 유도하기 위해서 자유단(151) 좌, 우측에 각각 경사로(153)를 구비하고 있다. 이런 경사 구현의 한 예로는 자유단(151)의 형태를 변형시켜 구형 혹은 실린더로 만드는 경우, 또 다른 예로는 구형 혹은 실린더 형태의 부품을 자유단(151) 상단에 부착하여 만드는 경우를 예시할 수 있다.

솔레노이드(140)는 코어(162)에 감겨있는 코일(161), 영구자석(160)을 부착한 채 구동기 프레임(130)에 고정된 탄성판(150)으로 구성되어 있는데, 탄성판(150)의 한 끝은 고정단(152)으로 구동기 프레임(130)에 고정되어 있고, 탄성판(150)의 다른 끝은 자유단(151)으로 핀 하부(101)를 타격하도록 되어 있다. 또한 영구자석(160)은 코어(162) 끝에 근접하여 코어(162)의 단면과 평행으로 서로 마주보도록 설치되어 있어, 코어(162)와 영구자석(160)이 인력 혹은 척력을 발생함에 따라 탄성판(150)이 변형되고, 이에 따라 움직이는 탄성판(150) 자유단(151)에 의해 핀 하부(101)가 타격되도록 설계되어 있다.

코어(162)에 의해 생성되는 자기장의 방향은 코일(161)에 흐르는 전류의 방향에 따라 달라지는데, 가령, 영구자석(160)에 의한 자기장은 아래를 향하고, 코어(162)에 의한 자기장은 위를 향하도록 하여 서로 척력을 발생시키거나, 영구자석(160)에 의한 자기장은 그대로 아래를 향하고, 코어(162)에 의한 자기장도 아래를 향하도록 하여 서로 인력을 발생시킬 수 있다. 물론 영구자석(160)에 의한 자기장이 위를 향하는 경우도 비슷한 방법으로 척력, 인력을 발생시킬 수 있다.

먼저 척력을 이용하는 경우를 기술하면 전기신호를 인가하지 않을 시 영구자석(160)이 코어(162)를 잡아당기는 인력에 의해 구동기(140) 자유단(151)은 몰입 상태로 대기하다가, 전기신호 인가시 코어(162)에 발생하는 자기력이 영구자석(160)을 밀어내는 방향으로 작용하여 구동기(140) 자유단(151)을 돌출 상태로 만들게 된다. (도4)

다음으로 인력을 이용하는 경우를 기술하면 전기신호를 인가하지 않을 시에는 영구자석(160)이 코어(162)를 잡아당기는 인력 보다는 탄성판(150)의 복원력이 커서 영구자석(160)의 인력을 이기고 자유단(151)이 돌출 상태가 되어 대기하다가, 전기신호 인가시 코어(162)에 의해 발생하는 자기력이 영구자석(160)을 잡아당기는 방향으로 작용하여 탄성판(150)의 복원력을 이기고 자유단(151)을 몰입 상태로 만들게 된다. (도5)

이와 같은 솔레노이드(140)는 코일(161)을 감은 턴수에 따라 힘이 결정되는데, 일렬로 배치된 도6 A 형태의 코일(161)로는 핀(100) 간격보다 큰 코일(161)을 만들 수 없어 구동기(140)의 힘이 많이 제한되게 된다. 도6 B와 같이 지그재그로 인접한 구동기(140)의 코일(161)을 배치하게 되면 코일(161)의 간격이 핀(100) 간격의 두배까지 커질 수 있어 힘이 센 솔레노이드(140) 장착이 가능하다.

솔레노이드(140)의 코일(161)을 핀(100)과 같은 방향으로 세우지 않고 도7과 같이 핀(100)과는 직각 방향으로 눕혀서 설치하고, 코어(162)의 방향은 영구자석(160)과 상호작용이 쉽도록 직각으로 휘어서 설치한다면 솔레노이드(140)의 두께가 크게 줄어들고 이에 따라 촉각 디스플레이 두께도 줄어들어 휴대성, 사용 편의성이 증대된다. 이 구성의 장점은 코일(161)을 구동기 프레임(130)에 임의로 배치한 다음, 이 코일(161)에서 영구자석(160)까지 코어(162)를 연장해주면 솔 레노이드(140)가 동작한다는 것이다. 이에 따라 큰 코일(161) 배치가 용이하다.

솔레노이드(140)가 행의 개수만큼 만들어져 있으므로 이에 따라 탄성판(150)도 행의 개수만큼 만들어져 구동기 프레임(130)에 부착되어야 한다. 그런데, 탄성판(150) 한개 한개를 식각하여 부착하는 것이 대단히 번거롭고 코어(162)와의 정렬도 어렵기 때문에 탄성판(150) 여럿을 한번에 모아 한개의 판으로 만들어 붙이는 것이 효과적이다.가령 도8과 같이 중앙이나 한쪽으로 코일(161)이 치우쳐져 있는 경우는 한개의 탄성판(150)으로도 전체 솔레노이드(140)에 대응할 수 있다. 만약 도9와 같이 코일(161)이 자유단(151) 기준으로 좌우 양측에 분산되어 있는 경우는 좌, 우측에 각각 한개의 탄성판(150)을 만들어 솔레노이드(140) 전체에 대응할 수 있고, 혹은 좌,우 탄성판(150)을 합쳐서 한개의 탄성판(150)으로 만들어 장착할 수도 있다.

도1 : 수평배치 코일 적용한 스캔방식 촉각 디스플레이

도2 : 스캔방식 촉각 디스플레이

도3 : 경사로를 구비한 자유단 상판

도4 : 코일, 영구자석간 척력 발생

도5 : 코일, 영구자석간 인력 발생

도6 : 코일을 지그재그 형태로 배치

도7 : 코일을 수평으로 배치

도8 : 탄성판 식각 형태

도9 : 탄성판 식각 형태

Claims

돌출, 몰입에 의해 촉각이 느껴지도록 상하로 움직일 수 있는 핀, 핀의 운동이 상하방향으로 국한되도록 제한하는 한 개 이상의 가이드판, 핀이 상하운동 중에는 핀을 구속하지 않고, 핀의 상하운동이 완료 후 핀 위치를 고정해주는 고정수단, 가이드판 하부를 왕복운동하는 구동기 프레임, 구동기 프레임에 고정된 코일, 코일에 인가된 전기 신호 유무에 따라 코일에 의한 자기력을 받는 영구자석, 영구자석을 고정한 채 스프링의 고정단은 구동기 프레임에 고정되고, 자유단은 핀 하부를 타격할 수 있도록 설치된 탄성판으로 구성된 것을 특징으로 하는 스캔 방식 촉각 디스플레이.
청구항 1항에 있어서 구동기 프레임이 핀 하부로 진입하는 경우 핀 하부가 탄성판 자유단에 걸리지 않고 미끄러져 올라갈 수 있도록 탄성판 자유단에 경사로를 구비한 것을 특징으로 하는 스캔 방식 촉각 디스플레이
제1항 내지 제2항의 어느 한 항에 있어서 코일과 영구자석이 척력을 발생시키도록 전기신호 방향을 정하여 전기신호 인가시 탄성판의 자유단이 돌출되도록 하고 전기신호가 인가되지 않을 시 탄성판의 자유단이 몰입되도록 설치한 것을 특징으로 하는 스캔 방식 촉각 디스플레이
제1항 내지 제2항의 어느 한 항에 있어서 코일과 영구자석이 인력을 발생시키도록 전기신호 방향을 정하여 전기신호 인가시 탄성판의 자유단이 몰입되도록 하고 전기신호가 인가되지 않을 시 탄성판의 자유단이 돌출되도록 설치한 것을 특징으로 하는 스캔 방식 촉각 디스플레이
제1항 내지 제2항의 어느 한 항에 있어서 촉각 디스플레이의 핀은 M*N개의 핀이 M개의 행과 N개의 열로 직교형태로 배치되어 있고, 탄성판의 자유단은 하나의 열의 핀을 타격하도록 설치된 것을 특징으로 하는 스캔 방식 촉각 디스플레이
청구항 5에 있어서 인접하는 핀에 대응하는 코일이 구동기 프레임의 좌, 우에 지그재그 식으로 설치된 것을 특징으로 하는 스캔방식 촉각 디스플레이
청구항 5에 있어서 코어의 단면이 영구자석과 평행을 이루도록 코어의 일부가 직각으로 변형되어 있고, 코어가 통과하는 코일은 수평방향으로 설치된 것을 특징으로 하는 스캔 방식 촉각 디스플레이
청구항 5에 있어서 코일의 설치 위치가 자유단 기준으로 중앙 혹은 한쪽으로 치우쳐 배치된 경우 한 개의 탄성판, 코일의 설치 위치가 자유단 기준으로 양쪽으로 분산되어 배치된 경우 두 개 이하의 탄성판에 솔레노이드 전체의 탄성판이 식각되어 있는 것을 특징으로 하는 스캔방식 촉각 디스플레이