KR101097764B1 - 자기유변유체를 이용한 강성구현장치, 그 제어방법 및 이를이용한 햅틱제공장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기유변유체를 이용한 강성구현장치와 제어방법 및 이를 이용한 햅틱제공장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자기장발생수단과 내부케이스 사이에 압축저항력, 전단력 및 유동저항력을 유발함으로써 외력에 대한 저항력인 강성을 제공하는 것을 특징으로 하는 강성구현장치와 제어방법 및 이를 이용한 햅틱제공장치에 관한 것이다. 이를 위해, 자기유변유체를 포함하는 하우징; 하우징의 상부에 구비되고, 외력이 작용하는 상부판; 상부판과 연결되어 하우징 내에서 상하이동하고, 자기유변유체에 자기장을 인가하는 자기장인가수단; 하우징의 내부에 구비되고, 자기장인가수단이 드나들 수 있는 내부케이스; 및 자기장인가수단의 이동에 의하여 내부케이스의 외부로 유출되는 자기유변유체를 수용하는 수용수단;을 포함하여, 자기장의 세기에 기초한 외력에 대한 저항으로 강성을 구현하는 것을 특징으로 하는 자기유변유체를 이용한 강성구현장치와 제어방법 및 이를 이용한 햅틱제공장치를 제공한다.

자기유변유체, 강성, 전단력, 압축저항력, 유동저항력, 코일, 햅틱, 댐퍼

Description

자기유변유체를 이용한 강성구현장치, 그 제어방법 및 이를 이용한 햅틱제공장치{Stiffness generation appatus using magneto-rheological fluid, control method and haptic providing apparatus using thereof}

본 발명은 자기유변유체를 이용한 강성구현장치와 제어방법 및 이를 이용한 햅틱제공장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자기장발생수단과 내부케이스 사이에 압축저항력, 전단력 및 유동저항력을 유발함으로써 외력에 대한 저항으로 강성을 제공하는 것을 특징으로 하는 강성구현장치와 제어방법 및 이를 이용한 햅틱제공장치에 관한 것이다.

자기유변유체(Magneto-Rheological Fluid, MRF)는 자기장의 세기에 따라 점성이 변하는 유체이다. 즉, 자기유변유체는 자기장이 없을 때는 낮은 점성상태이다가 자기장에 인가되었을 때 딱딱하게 굳은 것과 같은 높은 점성상태로 변하게 된다. 자기유변유체는 인가된 자기장의 영향하에서 입자들이 자기장 방향으로 사슬모양의 구조로 배열하기 때문에 점도가 급격히 증가한다. 자기유변유체는 높은 인장성과 낮은 점성, 강성, 안정성 및 넓은 온도 편차 등의 장점을 갖는다.

이러한 자기유변유체를 이용한 산업분야의 일예로 자동차용 댐퍼가 있다. 도 1은 자동차용 댐퍼의 단면도를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 자동차용 댐퍼는 시트장착용인 아이볼트(10), 피스톤밸브(40), 로드 가이드(20), 하우징(50) 등으로 구성된다. 피스톤 밸브(40)에는 코일이 권취되어 있어, 자기유변유체(30)가 통과하면서 자기장에 노출된다. 피스톤밸브(40)는 도 1에 도시된 바와 같이 왕복운동하며, 로드 가이드(20)는 이러한 피스톤밸브(40)의 왕복운동을 저지한다.

하우징(50)과 피스톤밸브(40) 사이에서 자기유변유체(30)에 자기장이 인가되면, 자기유변유체(30)가 체인을 형성하면서 점성이 증가된다. 이때, 피스톤밸브(40)가 자기유변유체(30)의 체인과 수직방향으로 이동하면서 유동저항력이 발생된다. 충분한 댐핑을 위하여 도 1에 도시된 바와 같이, 피스톤 밸브(40)에는 권취된 코일이 다수개 구비되어 있다.

이러한 자동차용 댐퍼는 자기유변유체의 점성변화를 충분히 유도하기 위하여 크기가 큰 단점이 있어서, 자동차, 산업장비 등에 사용될 뿐, 소형화가 어려운 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점으로부터 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 소형화된 자기장인가수단으로도 자기유변유체에 충분한 자기장을 인가할 수 있는 자기유변유체를 이용한 강성구현장치, 그 제어방법 및 이를 이용한 햅틱제공장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 유동저항력뿐만 아니라 전단력과 압축저항력까지 유발하는 자기유변유체를 이용한 강성구현장치, 그 제어방법 및 이를 이용한 햅틱제공장치를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 목적은, 외력의 세기를 측정하여 그에 따른 강성을 다양하게 구현함으로써, 자동차용 댐퍼, 각종 모바일기기와 게임기기, 운영체계 등의 다양한 산업분야에서 활용가능한 자기유변유체를 이용한 강성구현장치, 그 제어방법 및 이를 이용한 햅틱제공장치를 제공하는데 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 자기유변유체를 포함하는 하우징;

하우징의 상부에 구비되고, 외력이 작용하는 상부판;

상부판과 연결되어 하우징 내에서 상하이동하고, 자기유변유체에 자기장을 인가하는 자기장인가수단;

하우징의 내부에 구비되고, 자기장인가수단이 드나들 수 있는 내부케이스; 및

자기장인가수단의 이동에 의하여 내부케이스의 외부로 유출되는 자기유변유체를 수용하는 수용수단;을 포함하여,

자기장의 세기에 기초한 외력에 대한 저항으로 강성을 구현하는 것을 특징으로 하는 자기유변유체를 이용한 강성구현장치로 달성가능하다.

그리고, 상부판과 자기장인가수단은 탄성체에 의하여 연결될 수 있다.

또한, 상부판은 나선형의 홈이 형성된 판상의 탄성스프링이고, 상부판과 자기장인가수단은 스페이서에 의하여 연결될 수도 있다.

이 때, 상부판의 상부에는 홈으로부터 자기유변유체의 유출을 방지하는 유출방지판;이 더 포함될 수 있다.

그리고, 자기장인가수단은, 상부면 또는 하부면중 적어도 어느 하나의 면이 자기장인가수단의 측면으로 확장된 확장면을 갖는 보빈;과 보빈에 권취된 코일;을 포함한다.

또한, 내부케이스의 하부면에는 곡률을 갖는 돌기가 하나 이상 포함되어 있을 수 있다.

그리고, 내부케이스의 하부면에는 자기유변유체가 드나들 수 있는 하나 이상의 미세홀이 형성될 수 있다.

또는, 내부케이스의 하부면에는 체크밸브가 형성될 수 있다.

그리고, 내부케이스의 직경은 자기장인가수단의 직경보다 크다.

또한, 하우징은 하부가 개방된 형상이고, 수용수단은 탄력성있는 얇은 막으로 구성할 수 있다.

그리고, 하우징의 하부에는 수용수단의 늘어남을 수용할 수 있는 수용영역이 형성된 하부판;이 더 포함될 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 강성구현장치가 복수개 구비되고,

다수개의 강성구현장치의 상부에는 유연한 터치패널 및 유연한 디스플레이중 적어도 어느 하나가 더 포함된 햅틱제공장치에 의하여도 달성가능하다.

이 경우, 강성구현장치의 자기장인가수단으로 인가되는 전기를 제어하는 제어수단이 더 포함된다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 또 다른 카테고리로서, 상부판에 외력이 작용하여 상부판과 자기장인가수단이 하부로 눌리는 단계;

자기장인가수단에 전기가 인가되어 자기장이 발생하는 단계;

발생된 자기장에 의하여 자기유변유체의 점성이 증가하는 단계;

자기유변유체의 점성증가에 따라 내부케이스안에 구비된 자기장인가수단의 상하이동이 억제되어 외력에 대한 저항력으로 강성이 발생하는 단계; 및

자기장인가수단의 이동에 의하여 내부케이스에서 유출된 자기유변유체가 수용수단에 수용된는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 강성구현장치의 제어방법에 의하여도 본 발명의 목적은 달성하능하다.

그리고, 자기장발생단계는, 힘센서로부터 외력의 세기를 검출하는 단계; 및 힘센서의 검출신호에 기초하여 인가되는 자기장의 세기를 제어하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

또한, 저항력발생단계에서저항력은, 내부케이스의 측면과 자기장인가수단의 측면의 공간에서 이동하는 자기유변유체의 유동저항력을 포함하고, 그리고, 내부케이스의 측면과 자기장인가수단의 측면 사이의 전단력과 내부케이스의 하부내면과 자기장인가수단의 하부면 사이의 압축저항력중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다.

그리고, 자기장인가수단이 본래의 위치로 복원되는 단계; 및 수용수단에 수용된 자기유변유체가 내부케이스로 되돌아 가는 단계;가 더 포함될 수 있다.

따라서, 상기와 같은 본 발명의 일실시예에 의하면, 적은 전력으로도 최소량의 자기유변유체의 점성변화를 유도하여도 다양한 저항을 구현함으로써, 충분한 강성을 제공할 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 소형화가 가능하다.

특히, 본 발명에 따른 강성구현장치는 소형의 댐퍼로 활용가능하고 다양한 햅틱을 제공하는 장치로 활용가능하는 등 다양한 산업분야에 활용가능하다.

<강성구현장치>

이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 일실시예에 따른 자기유변유체를 이용한 강성구현장치의 구성에 관하여 설명하도록 한다. 먼저, 도 2는 본 발명에 따른 강성구현장치(100)의 단면도이고, 도 3은 자기장인가수단(300)의 단면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 강성구현장치(100)는 개략적으로 하우징(600), 상부판(200), 자기장인가수단(300), 내부케이스(400), 수용수단(600) 등을 포함한다.

하우징(600)은 강성구현장치(100)의 몸체를 구성하는 부재로서, 내부에 자기유변유체(500)를 포함한다. 하우징(600)은 상부와 하부가 개방된 형상이고, 내부가 비워진 상태이다. 이러한 하우징(600)은 원통형이나 기타 다면체의 형상으로 변형될 수 있음은 물론이다. 이러한 하우징의 일예로, 24mm × 24mm × 7mm 의 크기로 제작할 수 있다. 하우징은, 스테인리스 스틸 등의 금속재로 구성될 수 있다.

상부판(200)은 하우징(600)의 상부에 구비되는 부재로서, 상부판(200)과 수직인 방향으로는 외력이 작용한다. 상부판(200)의 사방의 모서리가 하우징(600)에고정결합될 수 있다. 상부판(200)에 작용하는 외력에 따라 상부판(200)의 중심은 아래로 눌려지게 된다. 이러한 상부판(200)은 소정의 변위만큼 변형가능한 딱딱한 얇은 판으로 구성되거나 나선형의 홈이 형성된 판상의 탄성스프링으로 구성가능하다. 특히, 상부판(200)이 나선형의 홈이 형성된 판상의 탄성스프링인 경우, 홈을 통한 자기유변유체(500)의 유출을 방지하기 위하여, 유출방지판(210)을 더 포함함이 좋다. 유출방지판(210)의 일예로, 얇은 고분자 폴리머, 실리콘 등을 사용할 수 있다.

자기장인가수단(300)은 상부판(200)과 연결되어 상하이동한다. 즉, 상부판(200)에 수직인 방향으로 외력이 작용함에 따라 자기장인가수단(300)이 하부로 이동한다. 그리고, 상부판(200)에 작용하던 외력이 해제되거나 자기장인가수단(300)에 전기가 공급되지 않는 등의 상황에서 자기장인가수단(300)은 본래의 위치, 즉 상부로 이동한다.

이러한 자기장인가수단(300)의 상하이동을 보다 원활하게 하기 위하여, 상부 판(200)이 얇은 판으로 구성된 경우라면 자기장인가수단(300)과 상부판(200)은 소정의 복원력을 갖는 탄성체(250)에 의하여 연결됨이 바람직하다. 또한, 상부판(200)이 판상의 탄성스프링으로 구성된 경우에는 상부판(200) 자체에 복원력이 있으므로 스페이서(250')에 의하여 연결될 수 있다. 자기장인가수단(300)은 탄성체 또는 판상의 탄성스프링인 상부판(200)의 복원력에 의하여 본래의 위치로 복원이 용이하다.

자기장인가수단(300)은 도 3에 도시된 바와 같이, 보빈(310)과 보빈(310)에 N(임의의 정수)회 권취된 코일(320)을 포함한다. 보빈(310)은 보빈(310)의 상부면과 하부면 모두, 각각의 확장면(S)을 갖는 것이 좋다. 확장면(S)은 자기장인가수단(300)의 측면을 따라 형성되며, 자기장인가수단(300)의 일부를 덮는 형상이다. 확장면(S)을 형성함으로써, 내부케이스부(400)와 마주보는 면적이 증가하므로 전단력(F_전)이 증가하고, 자기유변유체(500)의 유동저항력도 증가되는 효과가 있다. 자기장인가수단(300)의 크기는 일예로, 14.6mm × 14.6mm × 4mm 의 크기로 제작될 수 있으며, 이 때 확장면(S)은 자기장인가수단(300)의 측면을 약 1.3mm정도 덮는 형상이다.

특히, 확장면(S)의 끝단에서는 발생되는 자력이 더 증가되여 자기유변유체(500)의 점성을 증가시키는데 충분한 자기장을 제공한다. 따라서, 본 발명에 따른 강성구현장치(100)를 소형으로 제작할 수 있게 되는 장점이 있다. 이를 좀더 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 4a은 본 발명에 따른 보빈(310)에 확장면(S)이 구비된 상태의 자기장선을 나타낸 상태이고, 도 4b는 도 3a와 비교하기 위한 비교예로서 확장면이 없는 경우의 자기장선을 나타낸 상태도이며, 도 5는 확장면(S)이 구비된 경우와 구비되지 않은 경우 자기장인가수단(300)에서 발생되는 자기장의 세기를 나타낸 그래프이다. 도 4a와 도 4b는 자기장인가수단(300)이 원통형인 경우로서, 중심축을 기준을 대칭이므로 설명의 편의를 도모하기 위하여 중심축의 오른쪽만을 나타내었다. 그리고, 도 5의 그래프는 보빈(310)의 상부면을 기준점(0점)으로 하여 확장면(S)의 길이에 따른 자기장의 세기를 나타내었다. 또한, 도 4a와 도 4b에서 미설명부호 'A'는 이러한 자기장선을 나타낸다.

도 5의 그래프를 살펴보면, 확장면(S)이 형성되지 않은 경우(가)에 비하여 확장면(S)이 형성된 경우(나)에, 확장면(S)의 끝에서의 자기장의 세기가 약 2배 이상 증가됨을 확인할 수 있다. 따라서, 보빈(310)의 상부면과 하부면에 각각 확장면(S)을 형성하면, 각각의 확장면(S)의 끝에서 자기장의 세기가 강하므로 자기장인가수단(300)을 소형화할 수 있다. 자기장인가수단(300)이 소형화되므로 결국, 강성구현장치(100)가 소형화된다.

내부케이스(400)는 하우징(600)의 내부에 위치하고, 자기유변유체(500)에 내재되어 있으면서 동시에 내부에 자기유변유체(500)를 포함한다. 그리고, 자기장인가수단(300)이 내부에서 상하이동하여 드나들 수 있는 구조로, 자기유변유체(500)가 자기장인가수단(300)과 내부케이스(400) 면 사이를 드나들 수 있도록 내부케이스(400)의 직경(또는, 가로와 세로)은 자기장인가수단(300)의 직경에 비하여 약간 크다. 이러한 내부케이스(400)은 내부케이스지지부(610)에 의하여 고정되어 있다. 내부케이스(400)의 일예로, 15.6mm × 15.6mm × 6.5mm의 크기로 제작할 수 있다.

자기장인가수단(300)이 하부로 이동하면, 내부케이스(400)에 포함되어 있던 자기유변유체(500)는 압축되면서 자기장인가수단(300)과 내부케이스(400)면 사이를 이동하여 내부케이스(400)의 외부로 유출된다. 유출된 자기유변유체(500)는 수용수단(700)에 수용된다.

자기장인가수단(300)이 다시 상부로 이동하여 본래의 형상으로 복원되는 경우, 자기장인가수단(300)은 앞서 설명한 탄성체(250) 또는 판상의 탄성스프링인 상부판(200)의 복원력에 의하여 복원된다. 그러나, 자기유변유체(500)는 자기장 비인가시에도 어느 정도 점성을 갖기 때문에, 자기장인가수단(300)의 하부면과 내부케이스(400)의 하부내면이 자기유변유체(500)에 의하여 밀착되는 효과가 있다. 이것는 자기장인가수단(300)이 상부로 복원되는데 장애가 될 수 있으므로 내부케이스(400)의 하부면을 도 6a 내지 도 8b에 도시된 바와 같이, 다양하게 구성하여 이를 해소할 수 있다.

먼저, 도 6a와 도 6b에 도시된 바와 같이, 내부케이스(400)의 내부면에 하나 이상의 돌기(410)를 형성할 수 있다. 각 돌기(410)는 소정의 곡률을 갖는 형상으로서, 돌기(410)를 하나만 형성할 경우에는 그 직경을 크게 형성하여 도 6a와 같이 형성함이 좋다. 또한, 도 6b에 도시된 바와 같이 직경을 작게하여 다수개 형성할 수도 있음은 물론이다.

또 다른 실시예로서, 도 7에 도시된 바와 같이 내부케이스(400)의 하부면에 하나 이상의 미세홀(420)을 형성할 수 있다. 자기장인가수단(300)이 상하이동함에 따라 자기유변유체(500)가 미세홀(420)을 통과할 수 있으므로 자기장인가수단(300)의 하부면과 내부케이스(400)의 하부내면 사이의 밀착력을 해소시킬 수 있다.

또 다른 실시예로서, 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이 내부케이스(400)의 하부면에 체크밸브(430)를 형성할 수 있다. 자기장인가수단(300)이 하부로 이동할 때, 체크밸브(430)는 열리지 않으므로, 자기장인가수단(300)이 하부로 이동하면서 발생하는 자기유변유체(500)의 압축저항력에는 영향이 없다. 따라서, 강성을 구현하는데 장애가 되지 않는다. 그러다, 자기장인가수단(300)이 상부로 이동하면서 복원되면, 도 8b에 도시된 바와 같이 체크밸브(430)가 열려 자기유변유체(500)가 내부케이스(400)로 흘러 들어간다. 체크밸브(430)가 열리면서, 자기유변유체(500)의 하부면과 내부케이스(400)의 하부내면 사이의 밀착력이 해소될 뿐만 아니라 동시에 체크밸브(430)가 상부로 이동하는 힘이 자기장인가수단(300)의 상부이동을 도와주어 자기장인가수단(300)이 쉽게 복원될 수 있다.

수용수단(700)은 앞서 언급한 바와 같이, 자기장인가수단(300)이 내부케이스(400)의 하부로 이동함에 따라 유출된 자기유변유체(500)를 수용하는 것으로서, 내부케이스(400)와 하부판(800) 사이에 구비된다. 수용수단(700)은 풍선과 같이 늘어났다가 다시 평면으로 복원가능한 것으로서, 탄력성있는 얇은 막을 사용한다. 그 일예로 얇고 질긴 폴리머 또는 고무, MEMS공정에 따라 제작된 실리콘 등으로 제작할 수 있다.

하부판(800)은 수용수단(700)의 타면에 구비된다. 하부판(800)은 딱딱한 소 재로 제작되며, 상부판(200)에 작용한 외력을 골고루 분산시키는 역할을 한다. 하부판(800)에는 수용영역(850)이 형성되어 있다. 수용영역(850)은 얇은 막의 수용수단(700)이 늘어날 수 있는 공간을 제공하기 위한 것으로서, 하부판(800)에 관통홀을 형성하거나 오목한 홈을 형성하여 구현가능하다. 수용영역(850)의 크기는 수용수단(700)의 늘어남을 충분히 수용할 수 있는 크기라면 그 크기나 형상에 구애받지는 않는다. 수용영역(850)의 일예로, 5mm × 5mm의 크기로 제작할 수 있다.

이러한 구성을 갖는 강성구현장치(100)는 소형화된 댐퍼로 사용될 수 있으며, 소형화되었으므로 다양한 햅틱을 제공하는 장치로도 사용가능하다. 이하에서는 햅틱제공장치로서 활용되는 경우를 설명한다.

<햅틱제공장치>

이하에서는, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 강성구현장치를 이용하여 사용자에게 다양한 촉각적 감각을 제공하는 햅틱제공장치로 이용되는 경우를 설명한다. 도 9는 햅틱제공장치의 사시도이고, 도 10은 햅틱제공장치가 노트북(5)에 활용된 경우의 사시도이며, 도 11은 햅틱제공장치가 휴대폰(6) 등의 모바일기기에 활용된 경우의 사시도이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 햅틱제공장치는 복수개 구비된 강성구현장치(100)와 제어수단(미도시) 등을 포함한다. 강성구현장치(100)는 앞서 설명한 바와 동일한 바, 이하에서는 다른 구성을 중심으로 설명한다.

본 발명에 따른 햅틱제공장치가 도 10에 도시된 바와 같이 노트북(5) 등에 사용되는 경우, 다수개의 강성구현장치(100)의 상부에는 유연한 터치패널(1300)이 구비될 수 있다. 이러한 구성은, 기존에 사용되던 노트북의 터치입력의 기능에 더하여 다양한 촉감까지 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 햅틱제공장치가 네비게이션, 휴대폰(6) 등의 모바일기기에 사용되는 경우에는 도 11에 도시된 바와 같이 유연한 디스플레이(1200)가 구비될 수 있다. 유연한 디스플레이(1200)는 전자잉크, OLED 등으로 제작할 수 있다.

제어수단은 강성구현장치(100)의 자기장인가수단(300)으로 인가되는 전기를 제어한다. 제어수단의 전기제어는 전기의 세기(전류의 세기 또는 전압의 세기), 인가되는 시간, 주기 등에 관한 것이다. 또한, 제어수단이 복수개 구비되는 강성구현장치(100)중 어느 강성구현장치(100)의 자기장인가수단(300)으로 전기를 인가할 것인지 선택할 수 있다. 그리고 이렇게 선택된 강성구현장치(100)가 2개 이상이라면 각각의 강성구현장치(100)의 전기제어는 독립적으로 이루어질 수 있다.

<제어방법>

이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 강성구현장치의 제어방법에 대하여 설명한다. 도 12는 본 발명에 따른 강성구현장치의 제어방법의 흐름도이고, 도 13a와 도 13b는 강성구현장치(100)에 전기가 인가되지 않은 경우로서 외력이 작용하기 전과 후의 상태이며, 도 14는 강성구현장치(100)에 전기가 인가된 경우의 상태도이다. 이하에서는 설명의 편의를 도모하기 위하여 강성구현장치(100) 의 다양한 구성 중, 상부판(200)과 자기장인가수단(300)이 스페이서(250')에 의하여 연결되고, 내부케이스(400)의 하부에 체크밸브(430)가 형성된 경우로 설명한다.

도 13a에 도시된 바와 같이, 강성구현장치(100)의 상부판(200)에 수직인 방향의 외력이 작용하면 상부판(200)은 하부로 눌리고, 상부판(200)과 연결된 자기장인가수단(300)도 하부로 눌리게 된다. 이 때, 자기장인가수단(300)으로 전기가 인가되지 않았으므로 자기유변유체(500)의 점성에는 변화가 없다. 따라서, 외력이 작용하면, 강성구현장치(100)의 상부판(200)과 자기장인가수단(300)은 쉽게 눌린다. 자기장인가수단(300)이 눌리면서, 내부케이스(400)의 안쪽에 있던 자기유변유체(500)가 내부케이스(400)의 외부로 유출된다. 일부 유출된 자기유변유체(500)는 수용수단(700)에 수용된다.

그 후, 상부판(200)에 작용하던 외력이 해제되면, 상부판(200)이 본래의 위치로 복원되고 자기장인가수단(300)도 본래의 위치, 즉 상부로 이동한다. 이때 자기장인가수단(300)은 판상의 탄성스프링인 상부판(200)이 지닌 복원력에 기초하여 이동한다. 자기장인가수단(300)이 복원되면서 내부케이스(400)의 안쪽은 상대적으로 저압의 상태가 되어, 내부케이스(400)의 하부에 형성된 체크밸브(430)가 열리게 된다. 체크밸브(430)가 열리면서 수용수단(700)에 저장된 자기유변유체(500)가 내부케이스(400) 내부로 복귀하고, 내부케이스(400)의 외측면을 따라서도 내부로 복귀한다.

이하에서는 자기장인가수단(300)에 전기가 인가됨으로써 강성을 제공하는 제어방법에 대하여 설명한다. 자기장인가수단(300)으로 전기가 인가되면, 앞서 설명 한 바와 같이, 보빈(310)의 상부면과 하부면에 형성된 확장면(S)의 끝단에 강한 자기장이 형성된다. 즉, 자기장이 인가되면 내부케이스(400)의 자기유변유체(500)의 점성도가 다소 증가하지만 특히 확장면(S)의 끝단에서 자기유변유체(500)의 점성이 크게 증가한다.

자기유변유체(500)의 점성이 증가함에 따라, 외력에 의하여 하부로 눌리던 상부판(200)과 자기장인가수단(300)은 저항을 받게 된다. 자기장인가수단(300)이 받는 저항력은 압축저항력, 전단력과 유동저항력이다. 도 14를 참고하여 자세히 설명하면 다음과 같다.

내부케이스(400)의 하부내면과 자기장인가수단(300)의 하부면 사이에는 압축저항력이 유발된다. 자기장인가수단(300)이 하부로 눌리면서 내부케이스(400)의 하부내면과 자기장인가수단(300)의 하부면 사이에 위치한 자기유변유체(500)가 압축력(F_압)을 받아 그에 대한 저항, 즉 압축저항력(f₂)이 발생한다. 자기유변유체(500)는 비압축성 물질이기 때문이다.

그리고, 내부케이스(400)의 내측면과 보빈(310)의 확장면(S0 사이에는 전단력(F_전)이 유발된다. 상부판(200)에 외력이 작용하면 자기장인가수단(300)이 하부로 이동하게 된다. 따라서, 보빈(310)의 상부면과 하부면에 각각 형성된 확장면(S)은 도 14에 확대 도시된 바와 같이, 아래쪽으로 이동한다. 반면, 내부케이스(400)의 내측면은 상대적으로 위쪽으로 이동하게 된다. 내부케이스(400)의 내측면과 보빈(310)의 확장면(S) 사이에 위치하는 자기유변유체(500)는 인가된 자기장에 의하 여 점성이 증가된다. 점성이 증가된 자기유변유체(500)에 의하여 서로 반대의 방향으로 이동하려는 내부케이스(400)의 내측면과 보빈(310)의 확장면 사이에서 전단력(F_전)이 증가한다.

내부케이스(400)의 측면과 자기장인가수단(300)의 측면에서는 자기유변유체(500)의 유동저항력(f₁)이 유발된다. 자기장이 인가되므로, 내부케이스(400)의 측면과 자기장인가수단(300)의 측면 사이에 구비된 자기유변유체(500)의 점성이 증가된다. 내부케이스(400)의 측면과 자기장인가수단(300)의 측면사이에 구비된 자기유변유체(500)의 점성은 내부케이스(400)의 하부내면과 자기장인가수단(300)의 하부면 사이에 구비된 자기유변유체(500)의 점성에 비하여 상대적으로 높다. 따라서, 자기장인가수단(300)의 하부이동에 의하여 가압된 자기유변유체(500)는 내부케이스(400)의 측면을 타고 외부로 유출되려고 한다. 그러나 내부케이스(400)의 측면과 자기장인가수단(300)의 측면 사이에 위치하는 자기유변유체(500)의 점성이 외부로 유출되려는 자기유변유체(500)의 흐름을 방해하므로, 자기유변유체(500)의 유동저항(f₁)이 유발된다.

이와 같이 내부케이스(400)와 자기장인가수단(300) 사이에서는 자기유변유체(500)의 점성증가에 기초하여 유동저항력(f₁)과 전단력(F_전), 유동저항력(f₁)과 압축저항력(f₂)의 조합이 가능하다. 뿐만 아니라 압축저항력(f₂), 전단력(F_전)과 유동저항력(f₁) 모두가 유발되어 외력에 대한 저항이 발생할 수도 있음은 물론이다. 이 러한 저항으로 강성이 구현된다.

자기장인가수단(300)의 이동으로, 내부케이스(400)의 외부로 유출된 일부 자기유변유체(500)는 수용수단(700)에 수용된다. 즉, 얇은막의 수용수단(700)은 수용된 자기유변유체(500)의 양만큼 늘어나 하부판(800)에 형성된 수용영역(850)의 공간을 차지한다.

자기유변유체(500)로 인가되는 자기장은, 별도로 구비된 힘센서(미도시)에서 검출한 외력의 세기에 비례함이 바람직하다. 즉, 외력의 세기가 크다면 자기장인가수단(300)으로 많은 전기를 인가하여 권취된 코일(320)에서 발생하는 자기장의 세기를 크게 함이 좋다. 외력의 세기에 비례하도록 자기장의 세기를 제어하면 강성구현장치(100)가 댐퍼로서 활용되는 경우에 효율적인 댐핑모션을 기대할 수 있다. 또한, 강성구현장치(100)가 햅틱제공장치로 이용되는 경우에는 사용자가 손가락 등이 작용한 외력에 대응하는 값의 피드백(강성)을 줄 수 있어, 사용자의 다양한 햅틱욕구를 만족시킬 수 있다.

상부판(200)에 작용하던 외력이 해제되면, 눌려지던 상부판(200) 및 상부판(200)과 연결된 자기장인가수단(300)은 본래의 위치로 복원된다. 즉, 상부로 움직인다. 도 13a 및 도 13b와 같이 상부판(200)이 판상의 탄성스프링인 경우에는 상부판(200) 자체의 복원력이 본래의 위치로 복원되는 힘을 제공하고, 상부판(200)이 얇은 판으로서 자기장인가수단(300)과 탄성체(250)로 연결된 경우라면 탄성체(250)의 복원력이 본래의 위치로 복원되는 힘을 제공한다.

자기장인가수단(300)이 본래의 위치로 복원되면서, 내부케이스(400)의 안쪽 은 상대적으로 저압상태로서 수용수단(700)에 저장되어 있던 자기유변유체(500)도 내부케이스(400)의 내부로 되돌아 간다.

<변형예>

도 15는 본 발명에 따른 강성구현장치의 상부판(200)에 가볍고 딱딱한 재질의 누름판(1400)이 형성된 경우를 나타낸 사시도이다. 본 발명에 따른 강성구현장치는 앞서 언급한 바와 같이 댐퍼나 햅틱제공장치 이외에도, 누름판(1400)을 별도로 형성하여 버튼으로도 활용가능하다. 자기장인가수단(300)으로 짧은 시간내에 많은 전기가 인가되면, 단시간에 강한 자기장이 형성된다. 따라서, 부드럽게 눌리던 강성구현장치(100)가 갑자기 멈추게 되므로 사용자는 버튼을 누른 것과 같은 강성을 느낄 수 있다.

본 발명에 따른 강성구현장치(100)는 원통형 이외에도 다각형으로 구성할 수 있음은 앞서 언급한 바와 같다. 다각형으로 구성하면 내부케이스(400) 측면과 자기장인가수단(300)의 측면 사이의 전단력(F_전)을 좀 더 많은 위치에서 유발할 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 또 다른 실시예로서, 내부케이스(400)의 하부면에 형성한 돌기(410), 미세홀(420)과 체크밸브(4300 등은 각각 구현할 수 있으나, 이들을 다양한 경우의 수로 결합하여 구성할 수도 있음은 물론이다.

비록 본 발명이 상기에서 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어 졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정이나 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변형이나 수정은 모두 첨부된 특허청구범위에 속함은 자명하다.

도 1은 종래의 기술로서 자기유변유체를 이용한 댐퍼의 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 강성구현장치의 단면도,

도 3은 본 발명에 따른 자기장발생수단의 단면도,

도 4a는 도 3에 따른 확장면을 갖는 자기장발생수단에서의 자기장선을 나타낸 상태도,

도 4b는 도 4a의 비교예로서, 확장면이 없는 자기장발생수단에서의 자기장선을 나타낸 상태도,

도 5는 도 4a와 도 4b에서, 보빈의 상부면에서부터 확장면으로 길이가 됨에 따른 자기장의 세기를 나타낸 그래프,

도 6a 및 도 6b는 내부케이스의 하부면에 돌기가 형성된 상태도,

도 7은 내부케이스의 하부면에 다수개의 미세홀이 형성된 상태도,

도 8a는 내부케이스의 하부면에 체크밸브가 형성된 상태도,

도 8b는 도 8a의 체크밸브가 열린 경우의 상태도,

도 9는 본 발명에 따른 강성구현장치를 이용한 햅틱제공장치의 분해사시도,

도 10은 도 9의 햅틱제공장치가 노트북에 이용된 경우의 사시도,

도 11은 도 9의 햅틱제공장치가 휴대폰에 아용된 경우의 사시도,

도 12는 본 발명에 따른 강성구현장치의 제어방법에 따른 흐름도,

도 13a는 강성구현장치에 외력이 작용하기 전의 단면도,

도 13b는 도 13a의 상태에서 외력이 작용한 경우의 단면도,

도 14는 자기유변유체에 자기장이 인가된 경우로서, 내부케이스와 자기장인가수단 사이에 발생하는 다양한 저항력을 나타낸 단면도,

도 15는 본 발명에 따른 강성구현장치가 버튼으로 사용되는 경우의 사시도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 손가락

5: 노트북

6: 휴대폰

10: 아이볼트

20: 로드 가이드

30, 500: 자기유변유체

40: 피스톤밸브

50, 600: 하우징

100: 강성구현장치

200: 상부판

210: 유출방지판

250: 탄성체

250': 스페이서

300: 자기장인가수단

310: 보빈

320: 코일

400: 내부케이스

610: 내부케이스지지부

700: 수용수단

800: 하부판

850: 수용영역

1000: 다수개의 강성구현장치가 수납된 상태

1200: 유연한 디스플레이

1300: 유연한 터치패널

1400: 누름판

Claims (17)

1. 자기유변유체를 포함하는 하우징;

   상기 하우징의 상부에 구비되고, 외력이 작용하는 상부판;

   상기 상부판과 연결되어 상기 하우징 내에서 상하이동하고, 상기 자기유변유체에 자기장을 인가하며, 상부면 또는 하부면 중 적어도 어느 하나의 면이 측면으로 확장된 확장면을 갖는 보빈과 상기 보빈에 권취된 코일을 포함하는 자기장인가수단;

   상기 하우징의 내부에 구비되되 하부면에 곡률을 갖는 돌기, 미세홀, 및 체크밸브 중 어느 하나를 구비하며, 상기 자기장인가수단이 드나들 수 있는 내부케이스; 및

   상기 자기장인가수단의 이동에 의하여 상기 내부케이스의 외부로 유출되는 상기 자기유변유체를 수용하는 수용수단;을 포함하여,

   상기 자기장의 세기에 기초한 상기 외력에 대한 저항으로 강성을 구현하는 것을 특징으로 하는 자기유변유체를 이용한 강성구현장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 상부판과 상기 자기장인가수단은 탄성체에 의하여 연결된 것을 특징으로 하는 자기유변유체를 이용한 강성구현장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 상부판은 나선형의 홈이 형성된 판상의 탄성스프링이고,

   상기 상부판과 상기 자기장인가수단은 스페이서에 의하여 연결된 것을 특징 으로 하는 자기유변유체를 이용한 강성구현장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 상부판의 상부에는 상기 홈으로부터 상기 자기유변유체의 유출을 방지하는 유출방지판;이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 자기유변유체를 이용한 강성구현장치.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 내부케이스의 직경은 상기 자기장인가수단의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 자기유변유체를 이용한 강성구현장치.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 하우징은 하부가 개방된 형상이고,

    상기 수용수단은 탄력성있는 얇은 막인 것을 특징으로 하는 자기유변유체를 이용한 강성구현장치.
11. 제 1 항에 있어서,

    상기 하우징의 하부에는 상기 수용수단의 늘어남을 수용할 수 있는 수용영역이 형성된 하부판;이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 자기유변유체를 이용한 강성구현장치.
12. 제 1 항 내지 제 4 항 및 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한항에 따른 강성구현장치가 복수개 구비되고,

    상기 복수개의 강성구현장치의 상부에는 유연한 터치패널 및 유연한 디스플레이중 적어도 어느 하나가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 햅틱제공장치.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 강성구현장치의 자기장인가수단으로 인가되는 전기를 제어하는 제어수단이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 햅틱제공장치.
14. 상부판에 외력이 작용하여 상기 상부판과 자기장인가수단이 하부로 눌리는 단계;

    힘센서로부터 상기 외력의 세기를 검출하는 단계;

    상기 힘센서의 검출신호에 기초하여 인가되는 자기장의 세기를 제어함으로써 자기장이 발생하는 단계;

    상기 발생된 자기장에 의하여 자기유변유체의 점성이 증가하는 단계;

    상기 자기유변유체의 점성증가에 따라 내부케이스안에 구비된 상기 자기장인가수단의 상하이동이 억제되어 상기 외력에 대한 저항력으로 강성이 발생하는 단계; 및

    상기 자기장인가수단의 이동에 의하여 상기 내부케이스에서 유출된 상기 자기유변유체가 수용수단에 수용된는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 강성구현장치의 제어방법.
15. 삭제
16. 제 14 항에 있어서,

    상기 저항력은,

    상기 내부케이스의 측면과 상기 자기장인가수단의 측면의 공간에서 이동하는 상기 자기유변유체의 유동저항력을 포함하고, 그리고,

    상기 내부케이스의 측면과 상기 자기장인가수단의 측면 사이의 전단력과 상기 내부케이스의 하부내면과 상기 자기장인가수단의 하부면 사이의 압축저항력중 적어도 어느 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강성구현장치의 제어방법.
17. 제 14 항에 있어서,

    상기 자기장인가수단이 본래의 위치로 복원되는 단계; 및

    수용수단에 수용된 상기 자기유변유체가 상기 내부케이스로 되돌아 가는 단계;가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 강성구현장치의 제어방법.

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