KR101269191B1

KR101269191B1 - 진동발생 모듈, 이를 이용한 액추에이터, 휴대용 기기, 진동 생성방법 및 그 기록매체

Info

Publication number: KR101269191B1
Application number: KR1020110034324A
Authority: KR
Inventors: 양태헌; 권동수; 표동범
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2011-04-13
Filing date: 2011-04-13
Publication date: 2013-05-30
Also published as: KR20120116710A

Abstract

본 발명은 진동발생 모듈 및 이를 이용한 액추에이터에 관한 것으로서, 자기장을 이용하여 음의 강성과 양의 강성을 생성함으로써 충격에 의한 진동과 관성에 의한 진동을 발생하는 발명에 관한 것이다. 이를 위해 탄성을 가지는 탄성수단(110); 자기력을 발생하는 자기력발생수단(120); 및 인가되는 자극 변환신호에 따라 교번되는 전자기력을 발생하는 전자기력발생수단(130);을 포함하여 자기장을 형성하고, 자극 변환신호에 따라 자기력발생수단(120) 또는 전자기력발생수단(130)이 일측 방향으로 이동함으로써 진동을 발생하며, 이동은 미분방정식에 기초하는 것을 특징으로 하는 진동발생 모듈이 개시된다.

Description

진동발생 모듈, 이를 이용한 액추에이터, 휴대용 기기, 진동 생성방법 및 그 기록매체 {Vibration generating module, actuator using the same, handheld device, method for generating vibration and recording medium thereof}

본 발명은 진동발생 모듈 및 이를 이용한 액추에이터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자기장을 이용하여 음의 강성과 양의 강성을 생성함으로써 충격에 의한 진동과 관성에 의한 진동을 발생하는 발명에 관한 것이다.

최근 휴대용 전자기기의 보급과 더불어 터치스크린의 활용이 눈에 띄게 늘어나고 있는 추세이다. 이에 발맞추어 종래에는 클릭돔 형식으로 사용되던 키패드가 최근에는 터치스크린 상에 구현되고 있는 실정이다.

터치스크린 상에 구현되는 키패드는 진동이나 햅틱 피드백이 없는 경우 사용자가 입력여부를 알 수 없는 문제점이 있었다. 따라서 터치스크린 방식의 입력장치가 사용되는 휴대용 전자기기에 햅틱 피드백의 일종인 진동에 의한 촉감을 발생시킴으로서 사용자가 터치스크린에 입력되는 값을 일일이 확인해야 하는 번거로움을 해소하고자 하는 노력이 있어왔다.

그러나, 종래의 코인형 또는 바아형 진동모터는 응답시간이 길어 햅틱 피드백 기능을 구현하는데 한계가 있었다. 반면에 응답시간이 짧고, 소모전력이 낮으며, 신뢰도가 높은 선형모터가 제안되었으나, 종래의 선형모터는 하나의 공진 주파수만 가지며, 공진 주파수에서 2~3Hz 정도만 벗어나더라도 진동력이 급격하게 저하되는 단점이 있다. 그리고 선형모터 또한 응답속도가 25ms 정도로 여전히 느려 실재감 있는 버튼 클릭감을 모사하는 것과 다양한 햅틱 진동 패턴을 제공하는데 한계가 있어왔다.

한편, 종래의 발명은 휴대폰에 진동에 의한 촉감을 제공하기 위하여 안정구조를 활용하여 왔다. 이러한 안정구조에 의한 햅틱 피드백은 임팩트 바이브레이션(Impact Vibration)이 약하게 발생되는 문제가 있었다.

따라서 본 발명이 속하는 기술 분야에서는 임팩트 바이브레이션이 강하게 발생되며, 응답시간이 빠른 휴대용 전자기기 등에 장착될 수 있는 진동발생 모듈의 개발을 요하고 있었다.

따라서, 본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 자기장을 이용하여 음의 강성과 양의 강성을 생성함으로써 충격에 의한 진동과 관성에 의한 진동을 제공하는데 그 목적이 있다.

그러나, 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

전술한 본 발명의 목적은, 탄성을 가지는 탄성수단(110); 상기 탄성수단(110)이 가지고 있는 댐핑계수(c)로 모델링되는 댐퍼(160); 상기 탄성수단(110)의 탄성계수 및 댐핑계수(c)를 포함한 수학식에 기초하여 이동하는 이동체(150);
[수학식]

(이때, k_eff=k-B로서 유효탄성계수, m:이동체의 질량, c:댐핑계수, k:탄성계수, B:자기장, f(t): 자극 변환신호, x:이동체의 변위)
상기 자기장(B)을 형성하기 위해, 자기력을 발생하는 자기력발생수단(120)과 상기 인가되는 자극 변환신호{f(t)}에 따라 교번되는 전자기력을 발생하는 전자기력발생수단(130); 및 상기 이동체(150)의 이동을 제한하는 리미터수단(140);을 포함하며, 상기 이동체(150)가 이동함으로써 진동을 발생하는 것을 특징으로 하는 진동발생 모듈을 제공함으로써 달성될 수 있다.

삭제

또한, f(t)가

인 경우의 변위 x는 다음의 해를 가지는 것을 특징으로 한다.

이다.

이때,

, f₀:진폭, w:진동수

또한, 유효탄성계수(k_eff)가 영보다 작은 경우(음의 강성)에는 발산하여 상기 이동체의 변위(x)가 무한대로 되는 것을 특징으로 한다.

또한, 음의 강성을 가지는 경우에는 상기 이동체(150)와 리미터수단(140)이 부딪힘으로써 충격에 의한 진동을 발생하는 것을 특징으로 한다.

도한, 충격에 의한 진동은 감쇠고유진동수(W_d)가 생성되지 않음에 따라 자기력발생수단(120) 또는 상기 전자기력발생수단(130)이 공진에 의한 진동을 생성하지 않는 것을 특징으로 한다.

또한, 공진에 의한 진동을 생성하지 않음에 따라 자기력발생수단(120) 또는 전자기력발생수단(130)은 여진이 없는 진동을 생성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 음의 강성을 가지는 경우에는 햅틱 피드백이 10ms 이하인 것을 특징으로 한다.

또한, 유효탄성계수(k_eff)가 영보다 큰 경우(양의 강성)에는,
상기 탄성계수(k)가 상기 자기장(B)보다 크며, 공진에 따른 관성에 의한 진동과 충격에 따른 충격에 의한 진동을 발생하는 것을 특징으로 한다.

또한, 양의 강성보다 상기 탄성계수(k)와 상기 자기장(B)의 크기 차이가 큰 경우(강 양의 강성)에는 공진에 따른 관성에 의한 진동을 발생하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 자기력발생수단(120)의 자기장(B)에 의해 상기 탄성수단(110)의 탄성계수(k)를 크게 하며, 상기 탄성계수(k) 값이 증가함에 따라 댐핑계수(c)를 줄임으로써 상기 변위가 커지는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 목적은 탄성을 가지는 탄성수단(110); 상기 탄성수단(110)이 가지고 있는 댐핑계수(c)로 모델링되는 댐퍼(160); 상기 탄성수단(110)의 탄성계수 및 댐핑계수(c)를 포함한 수학식에 기초하여 이동하는 이동체(150);
[수학식]

(이때, k_eff=k-B로서 유효탄성계수, m:이동체의 질량, c:댐핑계수, k:탄성계수, B:자기장, f(t): 자극 변환신호, x:이동체의 변위)
상기 자기장(B)을 형성하기 위해, 자기력을 발생하는 자기력발생수단(120)과 상기 인가되는 자극 변환신호{f(t)}에 따라 교번되는 전자기력을 발생하는 전자기력발생수단(130); 및 상기 이동체(150)의 이동을 제한하는 리미터수단(140);을 구비하며, 상기 이동체(150)가 이동함으로써 진동을 발생하는 진동발생 모듈(100); 및 상기 자극 변환신호{f(t)}를 상기 전자기력발생수단(130)에 출력하는 제어수단(210);을 포함하는 액추에이터를 제공함으로써 달성될 수 있다.

삭제

(이때, k_eff=k-B로서 유효탄성계수, m:이동체의 질량, c:댐핑계수, k:탄성계수, B:자기장, f(t): 자극 변환신호, x:이동체의 변위)
상기 자기장(B)을 형성하기 위해, 자기력을 발생하는 자기력발생수단(120)과 상기 인가되는 자극 변환신호{f(t)}에 따라 교번되는 전자기력을 발생하는 전자기력발생수단(130); 및 상기 이동체(150)의 이동을 제한하는 리미터수단(140); 을 구비하며, 상기 이동체(150)가 이동함으로써 진동을 발생하는 진동발생 모듈(100); 및 상기 자극 변환신호{f(t)}를 상기 전자기력발생수단(130)에 출력하는 제어수단(210)을 구비하는 액추에이터(200);를 포함하는 진동을 발생하는 휴대용 기기를 제공함으로써 달성될 수 있다.

삭제

한편, 본 발명의 목적은 다른 카테고리로서, 제어수단(210)이 전자기력발생수단(130)에 제어신호를 출력하는 단계(S610); 상기 전자기력발생수단(130)이 상기 제어신호에 기초하여 전자기력을 발생하는 단계(S620); 상기 전자기력에 따라 상기 전자기력발생수단(130)의 자극이 형성되는 단계(S630); 상기 전자기력발생수단(130)의 자극과 자기력발생수단(120)의 자극에 의해 자기력이 생성되는 단계(S640); 상기 자기력에 의해 상기 이동체(150)가 일측 방향으로 이동함으로써 진동을 발생하는 단계(S650);를 포함하며, 상기 이동체(150)는 다음의 수학식인 미분방정식에 기초하여 이동하는 것을 특징으로 하는 진동 생성방법을 제공함으로써 달성될 수 있다.
[수학식]

(이때, k_eff=k-B로서 유효탄성계수, m:이동체의 질량, c:댐핑계수, k:탄성계수, B:자기장, f(t): 자극 변환신호, x:이동체의 변위)

삭제

또한, 유효탄성계수(k_eff)가 영보다 작은 경우(음의 강성)에는 발산하며,
상기 유효탄성계수(k_eff)가 영보다 큰 경우(양의 강성)에는 공진이 생성되는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 목적은, 제어수단(210)이 전자기력발생수단(130)에 제어신호를 출력하는 단계(S710); 상기 전자기력발생수단(130)이 상기 제어신호에 기초하여 전자기력을 발생하는 단계(S720); 상기 전자기력에 따라 상기 전자기력발생수단(130)의 자극이 형성되는 단계(S730); 상기 전자기력발생수단(130)의 자극과 자기력발생수단(120)의 자극에 의해 자기력이 생성되는 단계(S740); 상기 자기력에 의해 상기 전자기력발생수단(130)이 일측 방향으로 이동함으로써 진동을 발생하는 단계(S750);를 포함하며, 상기 이동체(150)는 다음의 수학식인 미분방정식에 기초하여 이동하는 것을 특징으로 하는 진동 생성방법을 제공함으로써 달성될 수 있다.
[수학식]

삭제

한편, 본 발명의 목적은 다른 카테고리로서, 진동 생성방법을 실행하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독 가능한 기록매체를 제공함으로써 달성될 수 있다.

전술한 바와 같은 본 발명에 의하면 자기장을 이용하여 음의 강성과 양의 강성을 생성함으로써 충격에 의한 진동과 관성에 의한 진동을 생성하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면 종래의 선형모터에 비해 응답속도가 현저히 빠른 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면 영구자석의 초기 자력을 이용하여 유효탄성계수는 일정하게 유지하면서도 탄성 스프링의 탄성계수를 증가시킬 수 있어서 스프링에 내재되어 있는 댐핑계수를 줄일 수 있다. 따라서 이동체의 변위를 늘일 수 있으며, 진동력을 더 크게 할 수 있는 효과가 있다.

그리고, 본 발명에 의하면 종래의 선형모터에 비해 주파수 응답에 관한 다이나믹 레인지가 넓은 효과가 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 유효탄성계수에 따른 공진과 발산을 설명하기 위한 개념을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 유효탄성계수에 따른 공진과 발산을 나타낸 도면,
도 4는 종래의 선형 진동모터의 주파수 응답 특성을 나타낸 도면,
도 5는 본 발명에 따른 진동 발생모듈의 주파수 응답 특성을 나타낸 도면,
도 6은 본 발명에 따른 양의 강성과 음의 강성을 가질 때의 변위에 따른 힘의 세기를 나타낸 도면,
도 7은 음의 강성을 설명하기 위한 입력파형을 나타낸 도면,
도 8은 도 7의 입력에 따른 이동체가 받는 힘을 도시한 도면,
도 9는 k가 B보다 약간 큰 경우의 양의 강성을 설명하기 위한 입력파형을 나타낸 도면,
도 10은 도 9의 입력에 따른 이동체가 받는 힘을 도시한 도면,
도 11 및 도 13은 k가 B보다 아주 큰 경우의 입력파형을 나타낸 도면,
도 12 및 도 14는 도 11 및 도 13의 입력에 따른 이동체가 받는 힘을 도시한 도면,
도 15는 본 발명에 따른 진동발생 모듈의 양의 강성과 음의 강성을 나타내는 영역을 도시한 도면,
도 16, 도 18, 및 도 20은 하이브리드에서 음의 강성을 설명하기 위한 입력파형을 나타낸 도면,
도 17, 도 19, 도 21은 도 16, 도 18, 도 20의 각 입력에 따른 이동체가 받는 힘을 나타낸 도면,
도 22는 하이브리드에서 양의 강성을 설명하기 위한 입력파형을 나타낸 도면,
도 23은 도 22의 입력에 따른 이동체가 받는 힘을 나타낸 도면,
도 24는 본 발명에 따른 액추에이터의 구성을 나타낸 구성도,
도 25는 본 발명에 따른 휴대용 기기의 구성을 나타낸 구성도,
도 26은 본 발명에 따른 자기력발생수단의 이동에 의한 진동 생성방법을 순차적으로 나타낸 순서도,
도 27은 본 발명에 따른 전자기력발생수단의 이동에 의한 진동 생성방법을 순차적으로 나타낸 순서도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 대해서 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 일실시예는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 내용을 부당하게 한정하지 않으며, 본 실시 형태에서 설명되는 구성 전체가 본 발명의 해결 수단으로서 필수적이라고는 할 수 없다.

<진동발생 모듈의 구성>

(자유 진동해)

본 발명에 따른 진동발생 모듈은 유효탄성계수에 따른 음의 강성과 양의 강성을 이용하여 충격에 의한 진동과 관성에 의한 진동을 생성한다. 이때 일반적으로 충격에 의한 진동은 구형파를 입력으로 사용하며, 관성에 의한 진동의 경우에는 여현파를 입력으로 사용한다.

한편, 본 발명에 따른 진동발생 모듈을 설명하기 위해 먼저 자유 진동해를 설명하기로 한다. 자유 진동해는 이동체를 일정변위만큼 이동시킨 다음 놓았을 때 자유롭게 진동하여 안정한 상태를 찾아가는 형태를 보기 위한 것이다.

도 1 내지 도 3은 유효탄성계수에 따른 공진과 발산을 설명하기 위한 도면이다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 자유 진동해를 설명하기 위해 탄성수단(110), 리미터수단(140), 이동체(150), 및 댐퍼(160)로 구성한 개념도에 의해 이를 설명한다.

이때 이동체(150)는 자기력발생수단(120) 또는 전자기력발생수단(130)을 의미하며, 전자기력발생수단(130)의 전자기장 생성에 따라 이동체(150)가 이동한다. 또한, 댐퍼(160)는 탄성수단(110)이 가지고 있는 댐핑계수(c)로 모델링 된다.

또한, 자기력발생수단(120)은 영구자석으로 구성할 수 있으며, 전자기력발생수단(130)은 철심에 코일을 감음에 따라 철심의 양끝에 자극을 형성할 수 있다.

먼저, 자유 진동해를 얻기 위한 지배 방정식은 다음의 [수학식 1]과 같다.

그 해는

이다.

이때, k_eff=k-B로서 유효탄성계수, m:이동체의 질량, c:댐핑계수, k:탄성계수, B:초기자기장, x:변위,

,

이다.

여기서, 댐핑계수(c)는 스프링에 내재된 댐핑성분을 의미하며 일반적으로 약 0.02 내지 0.05의 값을 가진다. 탄성계수(k)는 탄성수단(110)인 스프링의 탄성계수이며, 자기장(B)의 세기에 따라 유효탄성계수(k_eff)를 음의 강성(k_eff<0) 또는 양의 강성(k_eff>0)을 가지도록 할 수 있다.

이때, 도 3에 도시된 바와 같이 유효탄성계수(k_eff)가 양의 값을 가지는 경우에는 w_d(

)(감쇠고유진동수)의 주기를 가지면서 진동하다가 초기 위치로 되돌아 간다.

한편, 유효탄성계수(k_eff)가 음의 값을 가지는 경우에는 진동이나 공진주파수의 생성 없이 발산하게 된다. 음의 강성(k_eff<0)일 때에는 라이징 타임과 폴링 타임이 양의 강성(k_eff>0)일 때보다 훨씬 줄며, 따라서 일반적인 리니어 모터가 제공하는 햅틱 피드백보다 빠른 10ms 이내의 반응을 전달할 수 있다.

다만, 음의 강성일 때는 계속 발산하여 변위가 무한대로 되는 것이 아니라, 리미터수단(140)에 의해 제한되며, 이동체(150)와 리미터수단(140)이 부딪힘으로써 충격에 의한 진동을 발생한다.

(강제 진동해)

도 4는 종래의 선형 진동모터의 주파수 응답 특성을 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 진동 발생모듈의 주파수 응답 특성을 나타낸 도면이다.

본 발명에 따른 진동 발생모듈과 종래의 선형 진동모터의 특성을 아래와 같이 설명하기로 한다.

종래의 선형 진동모터의 지배 방정식은 다음의 [수학식 2]와 같다.

그 해는

이다.

이때,

,

이고,

f₀ _,x₀:진폭이다.

한편, 상술한 x₀의 수식에 의해 종래의 선형 진동모터는 k=mw²일 때 공진이 발생하며, 공진점에서 변위 및 진동력이 최대가 된다.

또한, 도 4에 도시된 도면에 의해서도 알 수 있는 바와 같이 종래의 선형 진동모터의 주파수 응답 특성은 약 175Hz에서 공진이 일어나는 것을 알 수 있다. 이때 주파수 응답 특성이 공진점에서만 큰 변위와 가속도를 가짐으로 공진점을 이용하여 발생시킨 진동만을 사용자에게 제공할 수 있다. 그러나 공진주파수에서만 사용할 수 있음으로 인하여 주파수가 변함에 따라 촉감을 느끼는 사용자에게 다양한 촉감을 제공하는 것에 한계가 있다.

결론적으로 종래의 진동모터의 한계를 극복하고 다양한 촉감을 사용자에게 전달하기 위한 도 5와 같은 주파수응답 특성을 보이는 진동모듈이 필요하며, 이하에서 설명하기로 한다.

한편, 본 발명에 따른 진동 발생모듈의 지배방정식은 다음의 [수학식 3]과 같다.

이때,

이고,

이고,

이다.

이때, k_eff는 k-B로서 유효탄성계수이고, R:증폭계수이다.

상술한 x₀의 수식에서 k_eff가 음의 값을 가지는 경우에는 음의 강성으로서, 이때에는 k_eff가 음의 값을 가지기 때문에 k_eff-mw²이 영이 되지 않으므로 공진이 발생하지 않는다. 또한, 증폭계수가 1보다 작으므로 변위 x의 최대 이동거리가 증폭이 되지 않는다.

한편, 도 1 및 도 2에 도시된 개념도를 가지고 설명하면, 본 발명에 따른 진동발생 모듈은 이동체(150)의 이동에 의해 진동을 생성한다. 이때 음의 강성으로 이동체(150)를 이동시키면 리미터수단(140)과 충돌하여 충돌에 의한 진동을 생성한다.

그리고, 양의 강성으로 이동체(150)를 이동시키는 경우에는 리미터수단(140)과 약한 충돌이 일어나는 충돌에 의한 진동과 충돌이 일어나지 않는 관성에 의한 진동을 생성한다.

한편, 본 발명에서는 자기력발생수단에서 생성된 초기자기장(B)으로 탄성 스프링의 스프링력을 줄여줄 수 있으므로 탄성계수가 종래의 선형모터보다 큰 것을 사용할 수 있다. 따라서 초기자기장(B)을 크게 해주면 동일한 k_eff 값에 의해서도 탄성계수 값을 크게 할 수 있으며, 탄성계수가 크면 스프링에 내재해 있는 댐핑계수(c)를 줄일 수 있다. 상술한 x₀의 수식에 의하면 댐핑계수가 작을수록 변위가 커짐을 알 수 있다. 결론적으로 탄성계수가 커짐에 따라 변위와 진동력을 증폭시킬 수 있다.

(음의 강성을 가질 때의 동작)

도 6은 본 발명에 따른 양의 강성과 음의 강성을 가질 때의 변위에 따른 힘의 세기를 나타낸 도면이고, 도 7은 입력파형을 나타낸 도면이고, 도 8은 입력에 따른 이동체가 받는 힘을 도시한 도면이다.

도 6에 도시된 바와 같이 음의 강성을 가질 때는 k_eff가 영보다 작은 값을 가지며, 이하에서는 도 8을 참조하여 도 7의 입력에 따른 진동발생 모듈의 동작을 설명하기로 한다.

도 7에서 입력 A가 가해지는 경우 도 8에 도시된 바와 같이 진동발생 모듈은 초기위치 a에서 b, c 경로를 따라 이동하여 오른쪽 리미터수단(140)과 충돌하며 충격진동을 발생한다. 이때 입력 A는 양의 전압으로서 전자기력발생수단(120)의 구성인 솔레노이드(도면 미도시)에 양의 전류를 인가하게 된다.

또한, 입력 B가 가해지는 경우 진동발생 모듈은 c, d, e 경로를 따라 이동하여 왼쪽의 리미터수단(140)과 충돌하며 충격 진동을 발생한다. 이때 입력 B는 음의 전압으로서 솔레노이드에 음의 전류를 인가한다.

여기서, 도 8에 도시된 F₁과 F₂는 후술할 양의 강성일 때의 힘 F₃ 및 F₄ 보다 훨씬 세기가 세다는 것을 알 수 있으며, 따라서 양의 강성일 때보다 훨씬 충격진동이 큼을 알 수 있다.

상술한 음의 강성을 가질 때의 본 발명에 따른 진동발생 모듈은 불안정한 구조를 가진다. 불안정 구조란 진동발생 모듈이 초기에는 양 리미터수단(140)의 어느 한쪽에 접하고 있으며, 입력신호가 가해지는 경우 다른 쪽의 리미터수단(140)에 충돌하는 구조이다. 이때 불안정 구조는 입력신호를 가한 후에 입력신호를 없애면 후술할 양의 강성 때와는 달리 초기 위치로 되돌아 가지 않는다.

한편, 도 7에서 입력 파형의 세기를 크게 하여 주면 도 8의 그래프가 상·하 방향으로 늘어나며, 이는 동일한 변위에 대해 그 힘이 커지는 것을 의미한다. 따라서, 입력 파형의 세기를 크게 하여 줄수록 진동력이 세진다.

(양의 강성을 가질 때의 동작)

도 9, 도 11, 및 도 13은 입력파형을 나타낸 도면이고, 도 10, 도 12, 및 도 14는 입력에 따른 이동체가 받는 힘을 도시한 도면이다.

도 6에 도시된 바와 같이 양의 강성을 가질 때는 k_eff가 영보다 큰 값을 가지며, 양의 강성은 음의 강성과 달리 안정적인 구조로서 후술하는 바와 같이 k가 B보다 약간 큰 약 양의 강성을 가지는 경우와 k가 B보다 아주 큰 강 양의 강성을 가지는 경우로 나누어진다.

먼저, k가 B보다 약간 큰 약 양의 강성의 경우에는 도 10을 참조하여 도 9의 입력에 따른 진동발생 모듈의 동작을 설명하기로 한다.

도 9에 도시된 바와 같이 입력 A가 가해지는 경우 이동체(150)는 초기위치 a에서 b, c 경로를 따라 이동하여 왼쪽 리미터수단(140)에 부딪히게 된다. 이때는 F₃만큼의 진동력에 의한 충돌을 생성한다. 따라서, 상술한 도면 8의 F₁과 비교하면 양의 강성에서는 그 충돌이 훨씬 약함을 알 수 있다. 한편, 입력 A를 가한 후 입력을 없애는 경우에는 안정적인 구조로 인하여 초기위치로 주기적 진동을 하면서 되돌아 가게 된다.

또한, 입력 B가 가해지는 경우 이동체(150)는 c, d, e 경로를 따라 이동하여 오른쪽 리미터수단(140)에 부딪히게 된다. 이때는 F₄만큼의 진동력에 의한 충돌을 생성한다. 따라서, 상술한 도면 8의 F₂와 비교하면 양의 강성에서는 그 충돌이 훨씬 약함을 알 수 있다.

또한, 입력 C가 가해지는 경우 이동체(150)는 e, f, b 경로를 따라 이동한다.

한편, 도 9에서 입력 파형의 세기를 크게 하여 주면 도 10의 그래프가 상·하 방향으로 늘어나며, 이는 동일한 변위에 대해 그 힘이 커지는 것을 의미한다. 따라서, 입력 파형의 세기를 크게 하여 줄수록 진동력이 세진다.

다음으로, k가 B보다 아주 큰 강 양의 강성의 경우에는 도 11 내지 도 14에 의해 자세히 설명하기로 한다. k가 B보다 아주 큰 경우에도 양의 강성을 가지는 것으로서, 이 경우에는 충격에 의한 진동이 아니라, 관성에 의한 진동을 발생한다.

먼저, 도 11에 도시된 바와 같은 신호를 입력하는 경우에 도 12에 도시된 바와 같이 양측에 위치한 리미터수단(140)에 충격을 발생하지 못하고 공진만 발생한다. 따라서 이때는 관성에 의한 진동을 발생한다. 또한, 도 13에 도시된 바와 같은 여현파 신호를 입력하는 경우에 도 14와 같은 관성에 의한 진동을 발생한다.

이때, 인가한 입력을 없애는 경우에는 안정적인 구조로 인하여 초기위치로 주기적 진동을 하면서 되돌아 가게 된다.

한편, 입력 파형의 주파수가 공진주파수에 다가갈수록 도 12 및 도 14의 그래프가 상·하 방향으로 늘어나며, 이는 변위가 커지는 것을 의미한다.

(양의 강성과 음의 강성을 가지는 하이브리드 동작)

도 15는 본 발명에 따른 진동발생 모듈의 양의 강성과 음의 강성을 나타내는 영역을 도시한 도면이고, 도 16, 도 18, 도 20, 도 22는 입력을 나타낸 도면이고, 도 17, 도 19, 도 21, 도 23은 각 입력에 따른 이동체가 받는 힘을 나타낸 도면이다.

도 15에 도시된 바와 같이, 중간에 위치한 그래프는 입력을 인가하기 전의 스프링에 의한 초기값을 나타내는 그래프이며, 상단의 그래프는 초기값에 플러스 전류를 인가한 그래프이고, 하단의 그래프는 초기값에 마이너스 전류를 인가한 그래프이다.

본 발명에 따른 진동발생 모듈을 양의 강성과 음의 강성을 모두 이용하여 동작시킬 수 있다. 이때 양의 강성은 상술한 k가 B보다 훨씬 클 때를 의미한다. 따라서, 음의 강성의 경우에는 충격에 의한 진동을 생성하고, 양의 강성의 경우에는 관성에 의한 진동을 생성할 수 있다. 이하 도 16 내지 도 23을 참조하여 설명하기로 한다.

먼저, 도 16에 도시된 바와 같이 A 신호가 입력되면 솔레노이드에 음의 전류가 입력된다. 이때 진동발생 모듈의 이동체(150)가 왼쪽 리미터수단(140)과 충돌하여 충격에 의한 진동이 발생한다. 그 후 입력신호가 사라진 경우에는, 즉 솔레노이드에 흐르는 전류를 제거하는 경우에는 도 17에 도시된 바와 같이 초기의 위치로 되돌아 간다.

또한, 도 18에 도시된 바와 같이 B 신호가 입력되면 솔레노이드에 양의 전류가 입력된다. 이때 이동체(150)가 오른쪽 리미터수단(140)과 충돌하여 충격에 의한 진동이 발생한다. 그 후 입력신호가 사라진 경우에는 도 19에 도시된 바와 같이 초기의 위치로 되돌아 간다.

한편, 도 20은 연속적인 입력을 가한 경우로서 도 21에 도시된 바와 같이 초기위치에서 A 신호를 입력하면 솔레노이드에 음의 전류가 인가되고 왼쪽 리미터수단(140)에 부딪혀서 충격을 발생한다. 이때 다시 B 신호를 인가하면 솔레노이드에 양의 전류가 입력되며 오른쪽 리미터수단(140)에 부딪혀서 충격을 발생한다. 다시 A' 신호를 인가하면 이동체(150)가 왼쪽 리미터수단(140)에 부딪혀서 충격을 발생한다. 이때 신호가 A' 신호를 계속 유지하는 경우에는 현 상태를 유지하나, 입력신호가 없어진 경우에는 초기위치로 되돌아 가게 된다.

다음으로, 관성에 의한 진동을 살펴보면, 도 22에 도시된 바와 같이 여현파를 인가하면 양측에 위치한 리미터수단(140)과 충격이 발생하지 않고 관성에 의한 진동을 발생한다. 도 22에 도시된 바와 같이 A 입력(음의 전압)을 인가하는 경우에는 초기위치에서 a, b, c를 따라 왼쪽으로 이동하며, B 입력(양의 전압)을 인가하는 경우에는 c, d, e를 따라 오른쪽으로 이동한다. 다시 C 입력을 인가하는 경우에는 e, f, b, c를 따라 왼쪽으로 이동한다. 만약 입력이 없어지는 경우에는 초기위치인 a로 이동한다.

<액추에이터의 구성>

도 24는 본 발명에 따른 액추에이터의 구성을 나타낸 구성도이다. 도 24에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 액추에이터는 대략 진동발생 모듈(100), 제어수단(210), 및 전원수단(220)으로 구성할 수 있다. 진동발생 모듈(100)은 상술한 기재에 갈음하기로 하고, 제어수단(210) 및 전원수단(220)을 중심으로 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 제어수단(210)은 진동발생 모듈(100)의 전자기력발생수단(130)에 자극 변환신호를 출력한다. 이때 자극 변환신호는 전자기력발생수단(130)이 교번되는 전자기력을 생성하도록 하는 신호이다. 교번되는 전자기력에 의해 서로 다른 자극이 유도된다.

이러한 제어수단(210)은 MCU, MPU, DSP 등을 사용하여 구현할 수 있으며, 또한 FPGA 또는 ASIC 등의 집적회로 설계에 의해 구현될 수도 있다. 물론 제어수단(210)을 구동하기 위한 프로그램이 저장되는 메모리(도면 미도시)가 필요함은 당업자에게는 자명할 것이다.

본 발명에 따른 전원수단(220)은 전자기력발생수단(130) 및 제어수단(210)에 전기를 공급하는 수단이다. 필요에 따라 교류 또는 직류전압을 공급할 수도 있으나, 직류전압을 공급하는 것이 바람직하다.

<휴대용 기기의 구성>

도 25는 본 발명에 따른 휴대용 기기의 구성을 나타낸 구성도이다.

도 25에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 휴대용 기기는 대략 진동발생 모듈(100), 액추에이터(200), 및 마이크로 프로세서(310)로 구성할 수 있다. 이하에서는 진동발생 모듈(100) 및 액추에이터(200)는 상술한 기재에 갈음하기로 하고, 마이크로 프로세서(310)를 중심으로 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 마이크로 프로세서(310)는 휴대용 기기(300)의 상태를 감지하며, 휴대용 기기(300)의 상태에 따라 진동에 의한 촉감을 제공하기 위하여 제어수단(210)에 제어신호를 출력하는 수단이다. 이때 제어수단(210)에 출력되는 신호는 전자기력발생수단(130)에 형성되는 자극을 유도하거나, 자극의 방향을 서로 바꾸기 위한 제어신호이다.

따라서, 상술한 기능을 가지는 마이크로 프로세서(310)는 MCU, MPU, DSP 등을 사용하여 구현할 수 있으며, 또한 FPGA 또는 ASIC 등의 집적회로 설계에 의해 구현될 수도 있다. 물론 마이크로 프로세서(310)를 구동하기 위한 프로그램이 저장되는 메모리(도면 미도시)가 필요함은 당업자에게는 자명할 것이다.

<진동 생성방법>

도 26은 본 발명에 따른 자기력발생수단의 이동에 의한 진동 생성방법을 순차적으로 나타낸 순서도이고, 도 27은 본 발명에 따른 전자기력발생수단의 이동에 의한 진동 생성방법을 순차적으로 나타낸 순서도이다.

상술한 구성을 가지는 액추에이터(200)에 의하여 수행될 수 있는 진동 생성방법의 일실시예가 도 26 및 도 27에 도시되어 있다.

도 26에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 자기력발생수단의 이동에 의한 진동 생성방법은 S610 단계 내지 S650 단계를 수행하며, 이하 도 26을 참조하여 설명하기로 한다.

먼저, 제어수단(210)이 전자기력발생수단(130)에 제어신호를 출력하는 단계를 수행하게 된다(S610). 이때 출력되는 제어신호는 전자기력발생수단(130)의 자극을 형성하기 위한 신호이다. 제어신호에 따라 전자기력발생수단(130)에 전류가 흐름으로서 자극이 형성되며, 또한 전류의 흐름을 바꿈으로써 자극을 서로 변환시킬 수 있다.

다음으로, S610 단계 후, 전자기력발생수단(130)이 제어신호에 기초하여 전자기력을 발생하는 단계를 수행하게 된다(S620). 이때 형성되는 전자기력은 솔레노이드의 내측과 외측에 형성된다.

다음으로, S620 단계 후, 전자기력에 따라 전자기력발생수단(130)의 자극이 형성되는 단계를 수행하게 된다(S630). 자극의 형성은 필요에 따라 제어수단(210)의 제어신호에 의해 서로 바뀔 수 있다.

다음으로, S630 단계 후, 전자기력발생수단(130)의 자극과 자기력발생수단(120)의 자극에 의해 자기력이 생성되는 단계를 수행하게 된다(S640).

마지막으로, S640 단계 후, 자기력에 의해 자기력발생수단(120)이 일측 방향으로 이동함으로써 진동을 발생하는 단계를 수행한다(S650). 이때 이동은 다음의 수학식인 미분방정식에 기초한다.

[수학식]

(k_eff=k-B, m:이동체의 질량, c:댐핑계수, k_eff:유효탄성계수, k:탄성계수, B:자기장, f(t):입력, x:변위)

한편, 전자기력발생수단의 이동에 의한 진동 생성방법은 상술한 S610 단계 내지 S640 단계와 동일하고, 자기력에 의해 전자기력발생수단(130)이 이동함으로써 진동을 발생하는 단계를 수행하게 된다(S750). 이때는 자기력발생수단(120)이 이동하지 않고 고정되어 있으며, 전자기력발생수단(130)이 이동하는 구성에 의해 수행될 수 있다.

상술한, 자기력발생수단 또는 전자기력발생수단의 이동에 의한 진동 생성방법은 유효탄성계수(k_eff)가 영보다 작은 경우에는 음의 강성을 가짐으로써 공진주파수가 발생하지 않고 발산한다. 또한, 유효탄성계수(k_eff)가 영보다 큰 경우에는 양의 강성을 가짐으로써 공진주파수가 발생한다.

<기록매체>

본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 케리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고, 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.

이상, 본 발명의 일실시예를 참조하여 설명했지만, 본 발명이 이것에 한정되지는 않으며, 다양한 변형 및 응용이 가능하다. 즉, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 많은 변형이 가능한 것을 당업자는 용이하게 이해할 수 있을 것이다.

100 : 진동발생 모듈
110 : 탄성수단
120 : 자기력발생수단
130 : 전자기력발생수단
140 : 리미터수단
150 : 이동체
160 : 댐퍼
170 : 하우징
200 : 액추에이터
210 : 제어수단
220 : 전원수단
300 : 휴대용 기기
310 : 마이크로프로세서

Claims

탄성을 가지는 탄성수단(110);
상기 탄성수단(110)이 가지고 있는 댐핑계수(c)로 모델링되는 댐퍼(160);
상기 탄성수단(110)의 탄성계수 및 댐핑계수(c)를 포함한 수학식에 기초하여 이동하는 이동체(150);
[수학식]

(이때, k_eff=k-B로서 유효탄성계수, m:이동체의 질량, c:댐핑계수, k:탄성계수, B:자기장, f(t): 자극 변환신호, x:이동체의 변위)
상기 자기장(B)을 형성하기 위해, 자기력을 발생하는 자기력발생수단(120)과 상기 인가되는 자극 변환신호{f(t)}에 따라 교번되는 전자기력을 발생하는 전자기력발생수단(130); 및
상기 이동체(150)의 이동을 제한하는 리미터수단(140);
을 포함하며,
상기 이동체(150)가 이동함으로써 진동을 발생하는 것을 특징으로 하는 진동발생 모듈.
제 1 항에 있어서,
상기 f(t)가
인 경우의 변위 x는 다음의 해를 가지는 것을 특징으로 하는 진동발생 모듈.

이다.
이때,
, f₀:진폭, w:진동수
제 1 항에 있어서,
상기 유효탄성계수(k_eff)가 영보다 작은 경우(음의 강성)에는 발산하여 상기 이동체의 변위(x)가 무한대로 되는 것을 특징으로 하는 진동발생 모듈.
제 3 항에 있어서,
상기 음의 강성을 가지는 경우에는 상기 이동체(150)와 리미터수단(140)이 부딪힘으로써 충격에 의한 진동을 발생하는 것을 특징으로 하는 진동발생 모듈.
제 4 항에 있어서,
상기 충격에 의한 진동은 상기 자기력발생수단(120) 또는 상기 전자기력발생수단(130)이 공진에 의한 진동을 생성하지 않는 것을 특징으로 하는 진동발생 모듈.
제 5 항에 있어서,
상기 공진에 의한 진동을 생성하지 않음에 따라 상기 자기력발생수단(120) 또는 상기 전자기력발생수단(130)은 여진이 없는 진동을 생성하는 것을 특징으로 하는 진동발생 모듈.
제 3 항에 있어서,
상기 음의 강성을 가지는 경우에는 햅틱 피드백이 10ms 이하인 것을 특징으로 하는 진동발생 모듈.
제 1 항에 있어서,
상기 유효탄성계수(k_eff)가 영보다 큰 경우(양의 강성)에는,
상기 탄성계수(k)가 상기 자기장(B)보다 크며, 공진에 따른 관성에 의한 진동과 충격에 따른 충격에 의한 진동을 발생하는 것을 특징으로 하는 진동발생 모듈.
제 8 항에 있어서,
상기 양의 강성보다 상기 탄성계수(k)와 상기 자기장(B)의 크기 차이가 큰 경우(강 양의 강성)에는 공진에 따른 관성에 의한 진동을 발생하는 것을 특징으로 하는 진동발생 모듈.
제 1 항에 있어서,
상기 자기력발생수단(120)의 자기장(B)에 의해 상기 탄성수단(110)의 탄성계수(k)를 크게 하며, 상기 탄성계수(k) 값이 증가함에 따라 댐핑계수(c)를 줄임으로써 상기 변위가 커지는 것을 특징으로 하는 진동발생 모듈.
탄성을 가지는 탄성수단(110);
상기 탄성수단(110)이 가지고 있는 댐핑계수(c)로 모델링되는 댐퍼(160);
상기 탄성수단(110)의 탄성계수 및 댐핑계수(c)를 포함한 수학식에 기초하여 이동하는 이동체(150);
[수학식]

(이때, k_eff=k-B로서 유효탄성계수, m:이동체의 질량, c:댐핑계수, k:탄성계수, B:자기장, f(t): 자극 변환신호, x:이동체의 변위)
상기 자기장(B)을 형성하기 위해, 자기력을 발생하는 자기력발생수단(120)과 상기 인가되는 자극 변환신호{f(t)}에 따라 교번되는 전자기력을 발생하는 전자기력발생수단(130); 및
상기 이동체(150)의 이동을 제한하는 리미터수단(140);
을 구비하며, 상기 이동체(150)가 이동함으로써 진동을 발생하는 진동발생 모듈(100); 및
상기 자극 변환신호{f(t)}를 상기 전자기력발생수단(130)에 출력하는 제어수단(210);
을 포함하는 액추에이터.
탄성을 가지는 탄성수단(110);
상기 탄성수단(110)이 가지고 있는 댐핑계수(c)로 모델링되는 댐퍼(160);
상기 탄성수단(110)의 탄성계수 및 댐핑계수(c)를 포함한 수학식에 기초하여 이동하는 이동체(150);
[수학식]

(이때, k_eff=k-B로서 유효탄성계수, m:이동체의 질량, c:댐핑계수, k:탄성계수, B:자기장, f(t): 자극 변환신호, x:이동체의 변위)
상기 자기장(B)을 형성하기 위해, 자기력을 발생하는 자기력발생수단(120)과 상기 인가되는 자극 변환신호{f(t)}에 따라 교번되는 전자기력을 발생하는 전자기력발생수단(130); 및
상기 이동체(150)의 이동을 제한하는 리미터수단(140);
을 구비하며, 상기 이동체(150)가 이동함으로써 진동을 발생하는 진동발생 모듈(100); 및
상기 자극 변환신호{f(t)}를 상기 전자기력발생수단(130)에 출력하는 제어수단(210)을 구비하는 액추에이터(200);
를 포함하는 진동을 발생하는 휴대용 기기.
제 11 항에 기재된 액추에이터를 이용한 진동 생성방법에 있어서
제어수단(210)이 전자기력발생수단(130)에 제어신호를 출력하는 단계(S610);
상기 전자기력발생수단(130)이 상기 제어신호에 기초하여 전자기력을 발생하는 단계(S620);
상기 전자기력에 따라 상기 전자기력발생수단(130)의 자극이 형성되는 단계(S630);
상기 전자기력발생수단(130)의 자극과 자기력발생수단(120)의 자극에 의해 자기력이 생성되는 단계(S640);
상기 자기력에 의해 상기 이동체(150)가 일측 방향으로 이동함으로써 진동을 발생하는 단계(S650);를 포함하며,
상기 이동체(150)는 다음의 수학식인 미분방정식에 기초하여 이동하는 것을 특징으로 하는 진동 생성방법.
[수학식]

(이때, k_eff=k-B로서 유효탄성계수, m:이동체의 질량, c:댐핑계수, k:탄성계수, B:자기장, f(t): 자극 변환신호, x:이동체의 변위)
제 13 항에 있어서,
상기 유효탄성계수(k_eff)가 영보다 작은 경우(음의 강성)에는 발산하며,
상기 유효탄성계수(k_eff)가 영보다 큰 경우(양의 강성)에는 공진이 생성되는 것을 특징으로 하는 진동 생성방법.
제 11 항에 기재된 액추에이터를 이용한 진동 생성방법에 있어서
제어수단(210)이 전자기력발생수단(130)에 제어신호를 출력하는 단계(S710);
상기 전자기력발생수단(130)이 상기 제어신호에 기초하여 전자기력을 발생하는 단계(S720);
상기 전자기력에 따라 상기 전자기력발생수단(130)의 자극이 형성되는 단계(S730);
상기 전자기력발생수단(130)의 자극과 자기력발생수단(120)의 자극에 의해 자기력이 생성되는 단계(S740);
상기 자기력에 의해 상기 전자기력발생수단(130)이 일측 방향으로 이동함으로써 진동을 발생하는 단계(S750);를 포함하며,
상기 이동체(150)는 다음의 수학식인 미분방정식에 기초하여 이동하는 것을 특징으로 하는 진동 생성방법.
[수학식]

(이때, k_eff=k-B로서 유효탄성계수, m:이동체의 질량, c:댐핑계수, k:탄성계수, B:자기장, f(t): 자극 변환신호, x:이동체의 변위)
제 15 항에 있어서,
상기 유효탄성계수(k_eff)가 영보다 작은 경우(음의 강성)에는 발산하며,
상기 유효탄성계수(k_eff)가 영보다 큰 경우(양의 강성)에는 공진이 생성되는 것을 특징으로 하는 진동 생성방법.
제 13 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 진동 생성방법을 실행하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독 가능한 기록매체.