KR101216892B1 - 햅틱 디바이스 구동용 압전 액추에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 햅틱 디바이스 구동용 압전 액추에이터에 관한 것으로, 동일한 폴링방향을 갖는 복수의 압전체층이 적층된 압전체, 및 상기 압전체에 형성된 전극패턴을 포함하고, 각각의 상기 압전체층의 길이는 상기 압전체층의 너비의 4배보다 크거나 같으며, 상기 압전체층의 너비는 상기 압전체층의 두께의 10배보다 크거나 같은 것을 특징으로 하고, 길이방향으로 큰 진동을 발생시키되 전력소모가 적은 햅틱 디바이스 구동용 압전 액추에이터를 제공한다.

Description

햅틱 디바이스 구동용 압전 액추에이터{Piezoelectric actuator actuating haptic device}

본 발명은 햅틱 디바이스 구동용 압전 액추에이터에 관한 것이다.

사용자가 컴퓨터나 프로그램과 의사소통을 보다 쉽고 편리하게 할 수 있도록 여러 가지 방법이 사용되는데, 최근에는 사용자가 터치하고 입력하는 개념 이외에도 인터페이스에 사용자의 직관적 경험을 반영하고 피드백을 좀더 다양화하는 개념을 포함하는 햅틱 디바이스(haptic device)가 많이 채용되고 있다.

햅틱 디바이스는 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.

일반적으로, 햅틱 다비이스는 투명성을 갖는 터치패널이 화상을 표시하는 LCD 등의 화상표시장치에 밀착되게 배치되고, 사용자가 터치패널을 통하여 화상을 보면서 터치패널을 압박 조작하는 경우, 진동모터(vibration motor) 또는 압전 엑추에이터(piezoelectric actuator)와 같은 진동발생수단에 의해 터치패널에 진동감이 인가됨으로써 사용자에게 진동감이 전달되는 구조를 채용하고 있다.

그러나, 진동발생수단으로서 진동모터는 휴대폰 전체가 떨리는 방식으로 사용자에게 촉각 피드백을 인가하도록 작동하기 때문에 터치패널을 통해 사용자에게 전달되는 진동감이 감소되는 문제점이 있었다. 따라서, 최근에는 소정부분을 진동시킴으로써 진동감을 향상시킬 수 있는 압전 엑추에이터가 많이 사용되고 있는 실정이다.

도 1은 종래기술에 따른 햅틱 디바이스 구동용 압전 액추에이터의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시한 햅틱 디바이스 구동용 압전 액추에이터의 단면도이다. 이하, 종래기술에 따른 압전 액추에이터(10)를 설명하면 다음과 같다.

도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 압전 액추에이터(10)는 복수의 압전체층(11a, 11b, 11c)이 적층되어 압전체(11)를 형성하고, 복수의 압전체층(11a, 11b, 11c)간 내부전극(12)이 형성되며, 압전체(11)의 외면에 외부전극(13)이 형성된 구조이다.

이때, 압전 액추에이터(10)에 사용자의 입력이 전해지면, 외부전극(13)에 인가되는 전원이 내부전극(12)에 전달되고, 이에 따라, 압전체(11)가 수축 또는 팽창을 함으로써 진동을 발생시키게 된다.

그러나, 종래의 압전 액추에이터(10)는 폴링(Polling) 방향을 동일하게 설정하지 않아 예기치 않게 압전 액추에이터(10)가 길이(l) 방향이 아닌 두께(t) 방향으로 진동되는 문제점이 있었다.

또한, 햅틱 디바이스의 박형화에 따라 압전 액추에이터(10)의 압전체층(11a, 11b, 11c)을 얇게 구성하여 압전체층(11a, 11b, 11c)의 C값이 커지게 되고, 이에 따라, 전력소모가 증가하는 문제점이 있었다. 특히, 휴대용 기기와 같은 햅틱 디바이스는 배터리 용량에 한계가 있으므로 문제점이 더욱 심각하다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 폴링방향을 동일하게 설정하여 길이방향으로 진동되는 햅틱 디바이스 구동용 압전 액추에이터를 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 압전체층을 일정 두께 이상으로 설계하여 압전체층의 C값을 낮추고 전력소모를 절감하는 햅틱 디바이스 구동용 압전 액추에이터를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 햅틱 디바이스 구동용 압전 액추에이터는, 동일한 폴링방향을 갖는 복수의 압전체층이 적층된 압전체, 및 상기 압전체에 형성된 전극패턴을 포함하고, 각각의 상기 압전체층의 길이는 상기 압전체층의 너비의 4배보다 크거나 같으며, 상기 압전체층의 너비는 상기 압전체층의 두께의 10배보다 크거나 같은 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 전극패턴은, 상기 압전체의 내부에 구비되는 제1 내부전극과 상기 압전체의 외부 일측에 형성되되 상기 제1 내부전극과 연결된 제1 외부전극을 포함하는 제1 전극, 및 상기 압전체의 내부에 구비되는 제2 내부전극과 상기 압전체의 외부 타측에 형성되되 상기 제2 내부전극과 연결된 제2 외부전극을 포함하는 제2 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 압전체는 길이방향으로 신축되는 것을 특징으로 한다.

또한, 각각의 상기 압전체층은 육면체인 것을 특징으로 한다.

또한, 각각의 상기 압전체층은 50~150㎛의 두께를 갖는 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 따른 햅틱 디바이스 구동용 압전 액추에이터는, 폴링방향을 동일하게 설정하여 길이방향으로 구동이 가능하고 진동 발생력이 큰 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 압전체층의 길이를 너비의 4배보다 크거나 같게 하고, 압전체층의 너비를 두께의 10배보다 크거나 같게 설정하여 진동력을 극대화하고 길이방향으로 구동이 가능한 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 각각의 압전체층의 두께를 50㎛ 이상 150㎛ 이하로 설계하여 전력소모를 절감하고, 햅틱 디바이스의 박형화에 대응하며 공정의 편의를 제공하는 장점이 있다.

도 1은 종래기술에 따른 햅틱 디바이스 구동용 압전 액추에이터의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 햅틱 디바이스 구동용 압전 액추에이터의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 햅틱 디바이스 구동용 압전 액추에이터의 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시한 햅틱 디바이스 구동용 압전 액추에이터의 단면도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전체층의 길이, 너비, 두께에 따른 햅틱 디바이스 구동용 압전 액추에이터의 진폭을 도시한 그래프이다.
도 7 및 도 8은 도 3에 도시한 햅틱 디바이스 구동용 압전 액추에이터의 구동원리를 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 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, 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. 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 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 햅틱 디바이스 구동용 압전 액추에이터의 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시한 햅틱 디바이스 구동용 압전 액추에이터의 단면도이다. 이하, 이를 참조하여 본 실시예에 따른 햅틱 디바이스 구동용 압전 액추에이터(100)에 대해 설명하기로 한다.

도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 햅틱 디바이스 구동용 압전 액추에이터(100)는, 압전체(110), 및 전극패턴(120)을 포함하되, 압전체(110)를 구성하는 복수의 압전체층(110a, 110b, 110c)의 폴링방향이 동일하고, 각각의 압전체층(110a, 110b, 110c)의 너비(w), 길이(l), 및 두께(t)가 압전 액추에이터(100)의 구동에 관계된 것을 특징으로 한다.

압전체(110)는 전원인가시 변형력에 의해 진동(진동모드)을 생성하기 위한 것으로, 복수의 압전체층(110a, 110b, 110c)이 적층된 구조를 갖는 부재이다. 여기서, 압전체층(110a, 110b, 110c)은 예를 들어, 티탄산지르콘산연(pzt)과 같은 압전 세라믹 시트로 구성되어 이하에 설명되는 전극패턴(120)에 전원이 인가되면 일정한 방향으로 신축될 수 있다.

또한, 발생되는 진동력을 크게 하기 위하여, 복수의 압전체층(110a, 110b, 110c)의 폴링방향을 동일하게 할 수 있다. 복수의 압전체층(110a, 110b, 110c)이 동일한 폴링방향을 가짐으로써, 변위는 작아지지만 진동 발생력은 커질 수 있으며, 길이(l) 방향으로 진동하는 것이 가능하다. 반대로, 압전체층(110a, 110b, 110c)의 폴링방향이 반대인 경우, 변위는 커지지만 진동 발생력이 작아지며, 두께(t) 방향으로 진동하게 되어 진동 모드 자체가 달라질 수 있다. 여기서, 햅틱 디바이스에서는 변위보다 사용자의 촉감에 의해 인지되는 진동력이 더 중요한 역할을 하므로, 폴링방향을 동일하게 구성하는 것이 바람직하다. 또한, 압전체(110)는 폴링방향이 동일한 복수의 압전체층(110a, 110b, 110c)으로 구성되는바, 전극패턴(120)에 전원이 인가되면 길이(l) 방향으로 신축될 수 있다.

한편, 도 3 및 도 4에서는 압전체층(110a, 110b, 110c)을 3층으로 도시하였으나, 이는 예시적인 것으로서 압전체층(110a, 110b, 110c)은 단층 또는 다층으로 구성될 수 있다.

또한, 압전체(110)는 예를 들어, 육면체의 형상을 가질 수 있고, 도 3에 도시한 바와 같이, 길이(l), 너비(w), 두께(t) 방향이 형성될 수 있다.

여기서, 각각의 압전체층(110a, 110b, 110c)의 길이(l) 방향 진동을 극대화히기 위하여, 각각의 압전체층(110a, 110b, 110c)의 길이(l), 너비(w), 및 두께(t)에는, 길이(l) ≥ 4×너비(w) ≥ 40×두께(t)의 관계가 성립되는 것이 바람직하다. 상기와 같이 육면체인 압전체(110)의 길이(l) 비율이 정해질 때, 압전 액추에이터(100)는 길이(l) 방향으로 신축하는 진동 모드를 나타내고, 발생되는 진동력을 극대화할 수 있다. 이는, 이하에서 도 5와 도 6을 참고하여 상세히 설명하겠다.

한편, 각각의 압전체층(110a, 110b, 110c)은 두께가 얇을수록 C값이 커지고, C값이 커짐에 따라 전류 및 전력 소모가 커진다. 따라서, 각각의 압전체층(110a, 110b, 110c)의 두께를 일정수준 이상 유지시켜 C값이 작아지도록 설계하는 것이 바람직하다. 이때, 각각의 압전체층(110a, 110b, 110c)의 두께는 50㎛ 이상을 유지시켜 전력 소모를 감소시킬 수 있다.

또한, 각각의 압전체층(110a, 110b, 110c)의 두께를 필요 이상으로 두껍게 할 경우, 전체 햅틱 디바이스의 두께가 두꺼워지고 적층 공정상의 문제점이 발생하므로 150㎛ 이하로 설계하는 것이 바람직하다.

전극패턴(120)은 제1 전극(121)과 제2 전극(125)으로 구성되는 부재로서, 예를 들어, 은(Ag) 페이스트로 형성할 수 있다. 전극패턴(120)은 외부의 기판(미도시)에 의해 전원을 인가받아 이를 압전체(110)의 내부로 전달한다.

여기서, 제1 전극(121)은 제1 내부전극(122)과 제1 외부전극(123)으로 구성될 수 있다. 제1 내부전극(122)은 예를 들어, 제1 압전체층(110a)과 제2 압전체층(110b) 간 형성되고, 압전체(110)의 외면 일측에 형성되는 제1 외부전극(123)과 연결된다. 또한, 제2 전극(125)은 제2 내부전극(126)과 제2 외부전극(127)으로 구성될 수 있고, 제2 내부전극(126)은 예를 들어, 제2 압전체층(110b)과 제3 압전체층(110c) 간 형성되고, 압전체(110)의 외면 타측에 형성되는 제2 외부전극(127)과 연결된다.

또한, 제1 전극(121)과 제2 전극(125) 간 단락 현상을 방지하기 위하여, 제1 내부전극(122)은 제2 외부전극(127)에 이격되고, 제2 내부전극(126)은 제1 외부전극(123)에 이격되도록 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 진동력을 극대화하기 위하여, 제1 외부전극(123)과 제2 외부전극(127)은 상부 이격부(130)와 하부 이격부(131)를 제외하고 압전체(110)를 둘러싸며 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 압전 액추에이터(100)에 전원이 인가되면, 제1 외부전극(123)과 제2 외부전극(127)은 이를 각각 제1 내부전극(122)과 제2 내부전극(126)에 전달한다.

도 5 및 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전체층(110a, 110b, 110c)의 길이(l), 너비(w), 두께(t)에 따른 햅틱 디바이스 구동용 압전 액추에이터(100)의 진폭을 도시한 그래프이다. 이하, 이를 설명하면 다음과 같다.

도 5에서, (B) 그래프는 압전 액추에이터(100)의 길이(l)가 15mm, 너비(w)가 2mm, 두께(t)가 0.1mm일 때 압전 액추에이터(100)의 진폭을 도시한 그래프이고, (A) 그래프는 길이(l)가 2mm, 너비(w)가 2mm, 두께(t)가 0.1mm일 때 진폭을 도시한 그래프이다. 도 5에 도시한 바와 같이, 길이(l) ≥ 4×너비(w) ≥ 40×두께(t)의 비율이 성립하는 (B) 그래프가 길이(l) ≥ 4×너비(w)의 비율이 성립되지 않는 (A) 그래프에 비하여, 주파수에 관계없이 진폭이 큰 것을 알 수 있다.

도 6에서, (B') 그래프는 길이(l)가 20mm, 너비(w)가 2mm, 두께(t)가 0.1mm일 때 진폭을 도시한 그래프이고, (A') 그래프는 길이(l)가 20mm, 너비(w)가 0.5mm, 두께(t)가 0.1mm일 때 진폭을 도시한 그래프이다. 도 6에 도시한 바와 같이, 길이(l) ≥ 4×너비(w) ≥ 40×두께(t)의 비율이 성립하는 (B') 그래프가 4×너비(w) ≥ 40×두께(t)의 비율이 성립되지 않는 (A') 그래프에 비하여, 주파수에 관계없이 진폭이 큰 것을 알 수 있다.

따라서, 각각의 압전체층(110a, 110b, 110c)은 길이(l) ≥ 4×너비(w) ≥ 40×두께(t)의 관계가 성립될 때, 주파수에 관계없이 진폭이 현저하게 커질 수 있고, 이에 따라, 진동력도 커지는 것을 확인할 수 있다.

도 7 및 도 8은 도 3에 도시한 햅틱 디바이스 구동용 압전 액추에이터(100)의 구동원리를 설명하기 위한 도면이다. 이하, 이를 설명하면 다음과 같다.

여기서, 플레이트(140)는 햅틱 디바이스에서 압전 액추에이터(100)가 장착되는 공간을 제공하는 동시에 압전 액추에이터(100)로부터 발생되는 진동을 예를 들어, 터치패널(미도시) 또는 화상표시부(미도시)에 전달하는 기능을 수행하기 위한 것으로, 터치패널(미도시) 또는 화상표시부(미도시)에 부착될 수 있다. 단, 본 실시예에서는 압전 액추에이터(100)가 햅틱 디바이스의 플레이트(140)에 부착된 형상으로 설명할 것이나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이, 압전 액추에이터(100)의 전극패턴(120)에 전원이 인가되면, 제1 외부전극(123)과 제2 외부전극(127)은 각각 제1 내부전극(122)과 제2 외부전극(127)에 전류를 전달하고, 이에 따라 압전체(110)가 신축 변형하게 된다.

이때, 전원이 인가되어 압전체(110)의 길이가 길어지면, 플레이트(140)는 상대적으로 변형률이 작고 압전 액추에이터(100)는 플레이트(140)에 부착되어 있으므로, 압전 액추에이터(100)는 아래로 휘어지고(도 7), 반대로 압전체(110)의 길이가 짧아지면 압전 액추에이터(100)는 위로 휘어질 수 있다(도 8).

상기와 같은 상, 하 방향의 진동에 의해 압전 액추에이터(100)가 구비된 햅틱 디바이스의 사용자는 진동 피드백을 감지할 수 있다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 햅틱 디바이스 구동용 압전 액추에이터는 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.

110 : 압전체 110a, 110b, 110c : 압전체층
120 : 전극패턴 121 : 제1 전극
122 : 제1 내부전극 123 : 제1 외부전극
125 : 제2 전극 126 : 제2 내부전극
127 : 제2 외부전극 130 : 상부 이격부
131 : 하부 이격부 140 : 플레이트

Claims (5)

1. 햅틱 디바이스를 구동시키는 압전 액추에이터로서,
   동일한 폴링방향을 갖는 복수의 압전체층이 적층된 압전체; 및
   상기 압전체에 형성된 전극패턴;
   을 포함하고,
   각각의 상기 압전체층의 길이는 20mm, 너비는 2mm, 두께는 0.1mm이고,
   상기 전극패턴은,
   상기 압전체의 내부에 구비되는 복수의 내부전극과, 상기 내부전극에 각각 연결된 복수의 외부전극을 포함하고, 상기 복수의 외부전극은 이격되도록 형성된 상부 이격부 및 하부 이격부를 제외하고 상기 압전체를 둘러싸도록 형성되고,
   상기 압전 액추에이터는 압전 액추에이터로부터 발생된 진동을 전달하기 위한 햅틱디바이스의 플레이트에 부착되고, 상기 압전체의 수축 및 인장에 의해 상기 압전 액추에이터는 양단이 상하로 밴딩되는 것을 특징으로 하는 햅틱 디바이스 구동용 압전 액추에이터.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 전극패턴은,
   상기 압전체의 내부에 구비되는 제1 내부전극과 상기 압전체의 외부 일측에 형성되되 상기 제1 내부전극과 연결된 제1 외부전극을 포함하는 제1 전극; 및
   상기 압전체의 내부에 구비되는 제2 내부전극과 상기 압전체의 외부 타측에 형성되되 상기 제2 내부전극과 연결된 제2 외부전극을 포함하는 제2 전극;
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 햅틱 디바이스 구동용 압전 액추에이터.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 압전체는 길이방향으로 신축되는 것을 특징으로 하는 햅틱 디바이스 구동용 압전 액추에이터.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   각각의 상기 압전체층은 육면체인 것을 특징으로 하는 햅틱 디바이스 구동용 압전 액추에이터.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   각각의 상기 압전체층은 50~150㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 햅틱 디바이스 구동용 압전 액추에이터.

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