KR101284132B1 - 고분자 유전체 기반 고성능 구동기, 그 구동기를 이용한 촉감제공 액추에이터, 진동모터, 작동방법, 촉각 감성 피드백 제공장치 및 시청각장애인을 위한 고분자 유전체 기반 촉각 감성피드백 제공장치 - Google Patents

고분자 유전체 기반 고성능 구동기, 그 구동기를 이용한 촉감제공 액추에이터, 진동모터, 작동방법, 촉각 감성 피드백 제공장치 및 시청각장애인을 위한 고분자 유전체 기반 촉각 감성피드백 제공장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고분자 유전체 기반 고성능 구동기, 그 구동기를 이용한 액추에이터, 진동모터, 작동방법 및 촉각 감성 피드백 제공장치, 시청각장애인을 위한 고분자 유전체 기반 촉각 감성 피드백 제공장치에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 고분자 유전체 기반 고성능 구동기에 있어서, 유연성을 갖는 하우징; 하우징 내부의 상부 또는 하부에 구비되며, 인가되는 전압에 의해 평면방향으로 인장되고 수직방향으로 압축되는 고분자유전체와 고분자유전체의 상부면과 하부면 각각에 설치되는 전극층을 갖는 압축력 생성부; 압축력 생성부와 특정간격 이격되어 구비되며 복원력을 제공하는 복원력 제공부; 및 압축력 생성부와 복원력 제공부 사이에 자기력을 제공하는 자기력 제공부를 포함하여, 압축력 생성부에 전압이 인가되지 않은 상태에서는 자기력 제공부에서 제공되는 자기력에 의해 압축력 생성부와 복원력 제공부가 근접 또는 접촉되고, 압축력 생성부에 전압이 인가되면 압축력생성부에서 생성되는 압축력과 복원력에 의해 압축력 생성부와 복원력 제공부가 이격되게 되는 특징으로 하는 고분자 유전체 기반 고성능 구동기에 대한 것이다.

Description

고분자 유전체 기반 고성능 구동기, 그 구동기를 이용한 촉감제공 액추에이터, 진동모터, 작동방법, 촉각 감성 피드백 제공장치 및 시청각장애인을 위한 고분자 유전체 기반 촉각 감성피드백 제공장치{Dielectricpolymer high­perpormance driver, actuator and vibratingmotor using the driver, method for operating the actuator, apparatus for providing tactile feedback and apparatus for providing tactile feedback to sight and hearing disabled person}
본 발명은 고분자 유전체 기반 고성능 구동기, 그 구동기를 이용한 액추에이터, 진동모터, 작동방법, 촉각 감성피드백 제공장치 및 시청각장애인을 위한 고분자 유전체 기반 촉각 감성피드백 제공장치에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 압축력생성부와 복원력생성부 및 자기력생성부를 포함하여 빠른 응답속도와 고출력을 동시에 갖게 되는 고분자 유전체 기반 촉감제공 액추에이터 등에 관한 것이다.
일반적으로 햅틱(haptic)이란 물체를 만질 때, 사람의 핑거팁(손가락 끝 또는 스타일러스 펜)으로 느낄 수 있는 촉각적 감각으로서, 피부가 물체 표면에 닿아서 느끼는 촉감 피드백(Tactile feedback)과 관절과 근육의 움직임이 방해될 때 느껴지는 근감각 힘 피드백(Kinesthetic force feedback)을 포괄하는 개념이다.
사람의 감각수용기로서, 기계적 자극의 수용기로는 고주파의 진동을 감지하는 파치니언 소체(Pacinian corpuscle), 저주파의 진동을 감지하는 마이스너 소체(Meissner's corpuscle), 국부적으로 누르는 압력을 감지하는 메르켈 디스크(Merkel's disc)와 피부를 눌려주는 스트레치를 감지하는 루피니 엔딩(Ruffini's ending)가 있다. 이러한 다양한 촉감수용기를 자극하여, 현실감있는 촉감을 재현하기 위해선, 액추에이터의 주파수 대역폭이 중요하다. 촉감수용기들은 각각 활성화되는 주파수 범위가 다르기 때문에, 이들을 모두 자극하기 위해선 250Hz이상의 대역폭을 갖는 액추에이터가 필요하다.
상기의 250Hz 이상의 대역폭을 만족시키는 기존의 액추에이터로는 솔레노이드 액추에이터, DC/AC 모터, 서버모터, 초음파 액추에이터, 형상기억합금세라믹 액추에이터 등 다양한 액추에이터들이 있다. 촉감제시장치의 대표적인 예로는 모바일디바이스에서 터치스크린의 입력에 따라 진동모터로, 진동을 발생시켜 고주파/저주파의 진동을 감지하는 파치니언/마이스너 소체를 자극하는 장치가 있다.
하지만 실제와 동일한 미세한 촉감을 구현하기 위해선, 사람이 구분 가능한 대역폭인 250Hz 보다 훨씬 높은 수 kHz의 대역폭을 제공할 수 있는 액추에이터가 필요하다. 이머젼사(immersion.com)에선 모바일기기에서 대역폭이 높은 피에조 액추에이터로 수 kHz의 대역폭을 제공하는 HD(High Definition) Haptic Device를 개발하였다. 피에조 액추에이터는 응답속도가 1ms정도로 빨라, 높은 대역폭을 갖는 장점이 있지만, 생성할 수 있는 변위가 작고 Brittle하여 Portable Device에 장착하기 어려운 단점을 가지고 있다.
반면에 본 발명에서 제시하는, 고분자 유전체 액추에이터는 반응속도가 어느 정도 빠르며, 높은 변위를 생성할 수 있고, 폴리머 형태로 구성됨으로 Brittle하지 않아 Portal Device 등 다양한 전자기기에 햅틱 액추에이터로 적용이 가능하다. 하지만 고분자 유전체는 폴리머형태로 사용자에게 촉감을 직접적으로 전달하는데 어려움이 있다. 그래서 자성체를 장착한 고분자 유전체액추에이터가 자성체가 장착된 탄성스프링을 상하로 구동시켜 사용자에게 고분자 유전체의 힘을 간접적으로 전달하는 방식을 고안하였다. 상기의 구조를 활용하면, 질량과 스프링이 있는 시스템으로 바뀌어 공진주파수를 자유롭게 활용하여, 힘과 변위를 증폭시킬 수 있는 장점이 있다. 또한 고분자 유전체의 빠른 응답속도를 활용하여, 기존의 진동모터보다 수배 이상 빠른 공진점을 활용함으로 다양한 촉각피드백을 사용자에게 제공할 수 있다.
상기의 복원력 생성부를 장착한 고분자 유전체 액추에이터는 고성능의 진동모터로 활용될 수도 있고, 사용자에게 미세한 촉감, 돌기, 및 형상을 표현할 수 있는 핀어레이 촉감제시장치(Pin-Array Tactile Display)로 활용될 수 있다. 상기의 핀어레이 촉감제시장치로 활용되기 위해선, 인간의 피부 감각을 모사할 수 있을 만큼 다수의 구동기(Actuator)를 좁은 면적에 집적할 수 있는 기술이 중요하다. 그래서 전체 구조가 Compact하게 디자인되어 삽입되는 것이 중요한 디자인 요소가 될 수 있다.
도 1a 고분자유전체(1)의 사시도를 도시한 것이고, 도 1b는 전극층(2)에 전압이 인가된 상태의 고분자유전체(1)의 사시도를 도시한 것이다. 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 고분자유전체(1)의 구동원리는 얇은 고분자유전체(1) 필름 위에 유연한 전극층(2)을 입히고 전압을 공급하면 필름의 두께는 감소하고 면적은 늘어나는 변형이 발생한다.
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이러한 고분자 유전체(1)의 기본 구동원리를 다른 외부 장치의 사용 없이 그대로 구동기로 응용할 수 있다.
상술한 바와 같은 고분자 유전체(1)의 기본 구동원리를 이용하여 촉각 제시 장치의 구동기를 만들기 위해서는 고분자 유전체(1)의 수평 방향 변형을 수직방향 변형으로 변화시켜야 한다.
이러한 촉감 디스플레이 장치에 대한 일 예로 2007년 4월 25일자로 공개된 대한민국 등록 특허 제718896호는 고분자 유전체(1)의 외각을 고정하는 프레임을 설치하여 구동방향을 제시하는데 있어 선장력 방식이 아닌 구동필름의 형태 변형을 통한 제시방법에 대해 기재하고 있다.
도 2a는 종래 고분자 유전체 기반 구동기(3)의 분해 사시도를 도시한 것이고, 도 2b는 종래 고분자 유전체 기반 구동기(3)의 사시도를 도시한 것이다. 또한, 도 2c는 전극층(2)에 전압이 인가된 상태의 종래 고분자 유전체 기반 구동기(3)의 사시도를 도시한 것이고, 도 3은 종래 고분자 유전체 기반 구동기(3)를 이용한 촉감제시장치(6)의 사시도를 도시한 것이다.
도 2a, 도 2b, 도 2c 및 도 3에 도시된 바와 같이, 종래 고분자 유전체 기반 구동기(3)는 고분자 유전체(1) 필름, 고분자 유전체(1) 필름의 상하면에 각각 코팅된 유연한 전극층(2) 그리고, 고분자유전체(1) 필름의 외각을 고정하는 프레임(4) 그리고, 구동기 상부와 하부에 코팅되는 보호필름(5)을 포함하고 있음을 알 수 있다.
따라서 전극에 전압이 인가되면 고분자 유전체(1)는 평면방향으로 인장되게 되고, 프레임(4)에 의해 고분자 유전체(1)의 외각이 구속되어있어 결국 도 2c 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상부로 돌출되게 된다.
그러나 이러한 구동기(3) 및 촉감제시장치(6)는 수직방향의 변위를 상승시킬 수는 있으나 수직변위를 간접적으로 생성하게 됨으로써 수직력이 13mN정도의 수준으로 상대적으로 큰 힘(수직력)을 발생시키지 못하게 되는 문제가 존재하고, 고집적 모듈의 개발이 어렵고, 와이어링(Wiring) 및 제어가 어렵고, 유연한 전극 패터닝의 한계가 존재하게 되는 문제가 존재하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로, 본 발명의 일실시예에 따르면 압축력생성부에서 생성되는 압축력에 반대로 복원력생성부에서 복원력을 생성시키게 됨으로써 복위 응답속도를 높일 수 있고, 자기력생성부를 포함하여 압축력과 동일한 방향으로 자기력을 생성시켜 수직력을 상승시킬 수 있는 고성능 구동기, 촉감제공 액추에이터 및 진동모터를 제공하게 된다. 또한, 사람 촉감의 시간분해능 내에서 공진주파수를 조절하여 자극주기뿐 아니라 자극강도까지 조절할 수 있는 촉각피드백 제공장치를 제공하게 된다.
본 발명의 그 밖에 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 관련되어 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명확해질 것이다.
본 발명의 제1목적은 고분자 유전체 기반 고성능 구동기에 있어서, 유연성을 갖는 하우징; 하우징 내부의 상부 또는 하부에 구비되며, 인가되는 전압에 의해 평면방향으로 인장되고 수직방향으로 압축되는 고분자유전체와 고분자유전체의 상부면과 하부면 각각에 설치되는 전극층을 갖는 압축력 생성부; 압축력 생성부와 특정간격 이격되어 구비되며 복원력을 제공하는 복원력 제공부; 및 압축력 생성부와 복원력 제공부 사이에 자기력을 제공하는 자기력 제공부를 포함하여, 압축력 생성부에 전압이 인가되지 않은 상태에서는 자기력 제공부에서 제공되는 자기력에 의해 압축력 생성부와 복원력 제공부가 근접 또는 접촉되고, 압축력 생성부에 전압이 인가되면 압축력생성부에서 생성되는 압축력과 복원력에 의해 압축력 생성부와 복원력 제공부가 이격되는 특징으로 하는 고분자 유전체 기반 고성능 구동기로서 달성될 수 있다.
복원력 제공부는 스프링 또는 고분자유전체로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
자기력 제공부는 복원력 제공부의 일면에 결합되는 영구자석 및 압축력 생성부의 타면에 결합되는 강자성체층을 포함하거나, 복원력 제공부의 일면에 결합되는 강자성체층 및 압축력 생성부의 타면에 결합되는 영구자석을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
압축력 생성부는 복수로 적층되어 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.
고분자유전체는 유전탄성체인 것을 특징으로 할 수 있다.
압축력 생성부를 둘러싸는 보호필름을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제2목적은 앞서 언급한 고분자 유전체 기반 고성능 구동기를 이용한 액추에이터에 있어서, 구동기에 구비된 복원력 제공부의 하단에 결합되어 복원력 제공부의 내측으로 출몰과 돌출을 반복 구동하는 컨택터를 포함하여, 구동기에 구비된 압축력 생성부에 전압이 인가되지 않은 상태에서는 자기력 제공부에서 제공되는 자기력에 의해 컨택터와 압축력 생성부가 근접 또는 접촉되어 컨택터가 출몰되고, 압축력 생성부에 전압이 인가되면 압축력 생성부에서 생성되는 압축력과 복원력제공부의 복원력에 의해 컨택터가 돌출되는 것을 특징으로 하는 고분자 유전체 기반 고성능 구동기를 이용한 액추에이터로서 달성될 수 있다.
자기력 제공부는 컨택터의 하단에 결합되는 영구자석 및 압축력 생성부의 상부면에 결합되는 강자성체층을 포함하거나, 컨택터의 하단에 결합되는 강자성체층 및 압축력 생성부의 상부면에 결합되는 영구자석을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
복원력 제공부는 상부에서 하부로 점진적으로 직경이 감소하는 코일스프링으로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
압축력 생성부는 복수로 적층되어 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제3목적은 앞서 언급한 촉감제공 액추에이터의 작동방법에 있어서, 자기력 제공부에서 제공되는 자기력에 의해 복원력 제공부의 하단에 결합된 컨택터가 압축력 생성부에 근접 또는 접촉되는 단계; 압축력 생성부에 전압이 인가되는 단계; 압축력 생성부에 구비되는 고분자유전체가 수직방향으로 압축되어 복원력 제공부에서 제공되는 복원력이 상승되는 단계; 및 복원력이 자기력보다 커져 컨택터가 상부로 돌출되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액추에이터의 작동방법으로서 달성될 수 있다.
본 발명의 제4목적은 앞서 언급한 고분자 유전체 기반 고성능 구동기; 및 구동기에 구비된 복원력 제공부의 하단에 결합되는 질량체를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자유전체 기반 구동기를 이용한 진동모터로서 달성될 수 있다.
또한, 자기력 제공부는 질량체에 결합되는 영구자석 및 압축력 생성부의 상부면에 결합되는 강자성체층을 포함하거나, 질량체에 결합되는 강자성체층 및 압축력 생성부의 상부면에 결합되는 영구자석을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
질량체는 텅스텐, SUS 및 철 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제5목적은 촉각피드백 제공장치에 있어서, 앞서 언급한 촉감제공 액추에이터; 액추에이터에 구비된 전극층에 전압을 인가하는 전압인가부; 및 전압인가부를 제어하여 전극층에 인가되는 전압주기를 조절하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각피드백 제공장치로서 달성될 수 있다.
본 발명의 제6목적은 앞서 언급한 진동모터; 진동모터에 구비된 전극층에 전압을 인가하는 전압인가부; 및 전압인가부를 제어하여 전극층에 인가되는 전압주기를 조절하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각피드백 제공장치로서 달성될 수 있다.
또한, 이러한 촉각피드백 제공장치의 제어부는 공진주파수 펄스의 전압주기를 조절하여 촉각피드백의 강도와 주기를 제어하며, 공진주파수는 사람촉감의 시간분해능 이하인 것을 특징으로 할 수 있다.
따라서, 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예에 의하면, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로, 본 발명의 일실시예에 따르면 압축력생성부에서 생성되는 압축력에 반대로 복원력생성부에서 복원력을 생성시키게 됨으로써 복위 응답속도를 높일 수 있고, 자기력생성부를 포함하여 압축력과 동일한 방향으로 자기력을 생성시켜 수직력을 상승시킬 수 있는 효과를 갖는다. 또한, 본 발명의 일실시예에 따른 촉각피드백 제공장치에 따르면 사람 촉감의 시간분해능 내에서 공진주파수를 조절하여 자극주기뿐 아니라 자극강도까지 조절할 수 있는 장점을 갖는다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어 졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허 청구 범위에 속함은 자명하다.
도 1a 고분자유전체의 사시도,
도 1b는 전극판에 전압이 인가된 상태의 고분자유전체의 사시도,
도 2a는 종래 고분자 유전체 기반 구동기의 분해 사시도,
도 2b는 종래 고분자 유전체 기반 구동기의 사시도,
도 2c는 전극판에 전압이 인가된 상태의 종래 고분자 유전체 기반 구동기의 사시도,
도 3은 종래 고분자 유전체 기반 구동기를 이용한 촉감제시장치의 사시도,
도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 고분자유전체 기반 고성능 구동기를 이용한 촉감제공 액추에이터의 분해 사시도,
도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 다수의 촉감제공 액추에이터가 복수로 연결된 표면질감제공장치의 사시도,
도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 복원력제공부와 자기력 제공부 및 압축력생성부를 모델링한 촉감제공 액추에이터의 단면도,
도 5b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 복원력제공부와 자기력 제공부 및 압축력생성부를 모델링한 촉감제공 액추에이터의 단면도,
도 6a는 본 발명의 일실시예에 따른 압축력생성부에 전압이 인가되지 않은 상태에서 촉감제공 액추에이터의 단면도,
도 6b는 본 발명의 일실시예에 따른 압축력생성부에 전압이 인가되지 않은 상태에서 촉감제공 액추에이터의 단면도,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 FEM 분석을 이용한 Maxwell 2D 전자기 해석한 촉감제공 액추에이터,
도 8은 복원력제공부가 없는 액추에이터에 전압인가 전, 후 그리고, 본 발명의 일실시예에 따른 복원력제공부가 있는 액추에이터에 전압인가 전, 후에 따른 영구자석의 수직방향 변위 대 영구자석이 받는 힘 그래프,
도 9a는 본 발명의 일실시예에 따른 압축력제공부에 전압이 인가되지 전과 후의 촉감제공 액추에이터의 단면도, 그리고, 사람 촉감의 시간분해능 내에 3번의 진동을 갖는 진동 그래프,
도 9b는 본 발명의 일실시예에 따른 고분자 유전체 기반 고성능 구동기를 이용한 촉감제공 액추에이터를 적용한 촉각피드백 제공장치에서의 공진주파수와 자극 주기를 나타낸 그래프를 도시한 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 고분자 유전체 기반 고성능 구동기, 그 구동기를 이용한 촉감제공 액추에이터(100)의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다. 본 발명의 일실시예에 따른 촉감제공 액추에이터(100)는 고분자 유전체 기반 고성능 구동기의 구성을 전부 그대로 포함하고 있기 때문에 촉감제공 액추에이터(100)를 중심으로 설명하도록 한다.
도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 고분자유전체 기반 고성능 구동기를 이용한 촉감제공 액추에이터(100)의 분해 사시도를 도시한 것이다. 또한, 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 다수의 촉감제공 액추에이터(100)가 복수로 연결된 표면질감제시장치(110)의 사시도를 도시한 것이다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 표면질감제시장치(110)는 후에 상세하게 설명될 촉감제공 액추에이터(100)가 다수로 평면방향으로 결합되어 짐을 알 수 있다. 즉, 압축력 생성부(10)는 표면질감제시장치(110)에 구비된 하우징 내부의 하부에 구비되며 인가되는 전압에 의해 평면방향으로 인장되고 수직방향으로 압축되는 고분자 유전체(1)와 고분자 유전체(1)의 상부면과 하부면 각각에 설치되는 패터닝 된 다수의 전극층(2)을 갖게 되고, 하부징에 구비되며 압축력 생성부(10)에서 생성된 압축력에 대응하여 복원력을 생성시키는 패터닝 된 다수의 복원력제공부(20)를 포함하고 있다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 고분자 유전체 기반 고성능 구동기를 이용한 촉감제공 액추에이터(100)들이 결합된 표면질감제시장치(110)의 일구성인 복원력 제공부(20)는 다수의 코일스프링(21)이 평면방향으로 결합되어짐을 알 수 있다.
이하에서는 표면질감제시장치(110)를 구성하는 고분자 유전체 기반 고성능 구동기를 이용한 촉감제공 액추에이터(100)를 중심으로 설명하도록 한다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 촉감제공 액추에이터(100)는 유연성을 갖는 하우징과 하우징의 하부판(31)의 상부로 결합되는 압축력생성부(10), 압축력생성부(10)의 상부측에 구비되는 복원력제공부(20), 복원력제공부(20)에 결합된 컨택터(50), 복원력제공부(20)와 압축력생성부(10) 사이에서 자기력을 제공하는 자기력 제공부 등을 포함하고 있음을 알 수 있다.
압축력생성부(10)는 하우징 하부판(31)의 상부에 결합되며 전압이 인가되면 평면방향으로 인장되고, 수직방향으로 압축되는 고분자 유전체((1)(구체적 실시예에서는 유전 탄성체(dielectric elastomer)로 구성된다.)와 고분자 유전체(1)의 상하부 각각에 결합되는 유연성을 갖는 전극층(2)으로 구성된다. 또한, 압축력생성부(10)는 다수가 적층되어 구비될 수 있다.
그리고, 압축력 생성부(10)의 상부에는 강자성체층(42)이 결합되어 진다. 도 4a에 도시된 본 발명의 일실시예에서는 압축력 생성부(10)의 상부에 강자성체층(42)이 구비되나 강자성체층(42) 대신에 영구자석(41)이 결합되어질 수도 있다. 또한, 도 4a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 촉감제공 액추에이터(100)는 앞서 설명한 압축력생성부(10)와 강자성체층(42)을 둘러싸는 보호필름(5)이 포함될 수 있다. 이러한 보호필름(5)은 절연용으로써 전극층(2) 사이의 고전압이 누설되는 것을 방지하게 된다.
또한, 도 4a에 도시된 바와 같이, 압축력생성부(10)의 상부로 복원력제공부(20)가 구비됨을 알 수 있다. 이러한 복원력제공부(20)는 본 발명의 일실시예에서 코일스프링(21)으로 구성되며 보다 구체적으로는 상부에서 하부측으로 점진적으로 직경이 감소하는 형태의 코일스프링(21)으로 구성됨이 바람직하다. 또한, 도 4a에 도시된 바와 같이, 코일스프링(21)의 하부측 끝단에는 코일스프링(21)의 내측에서 돌출 및 출몰을 반복 구동하는 컨택터(50)가 결합되어짐을 알 수 있다. 그리고, 코일스프링(21)의 상부 외주부는 하우징의 상부판에 결합되어 질 수 있도록 스페이서(22)가 결합되어 진다. 또한, 앞서 설명한 바와 같이, 다수의 촉감제공 액추에이터(100)가 평면방향으로 결합된 표면질감제시장치(110)가 유연성을 가질 수 있도록 코일스프링(21)의 상부 외주부로 밴딩 에지(bendable edge, 23)가 구비된다.
그리고, 도 4a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에에 따른 촉감제공 액추에이터(100)를 구성하는 컨택터(50)의 하부측으로는 영구자석(41)이 결합되게 됨을 알 수 있다. 즉, 컨택터(50)의 하부측에 결합된 영구자석(41)은 압축력생성부(10)의 상부측에 결합된 강자성체층(42) 사이에서 자기력을 생성하게 된다. 따라서 이러한 컨택터(50)의 하부측에 결합된 영구자석(41)과 압축력생성부(10)의 상부측에 결합된 강자성체층(42)은 자기력 제공부의 일구성으로서, 압축력생성부(10)와 복원력제공부(20) 사이에 자기력을 제공하게 된다. 또한, 컨택터(50)의 하부측에 강자성체층(42)이 결합되고 압축력생성부(10)의 상부측으로 영구자석(41)을 결합시켜 자기력제공부를 구성할 수도 있다.
따라서 압축력생성부(10)에 전압이 인가되지 않아 압축력이 생성되지 않은 상태에서는 자기력에 의해 컨택터(50)가 압축력생성부(10)의 상부에 접촉되어 컨택터(50)가 출몰되고, 복원력 제공부(20)에 일정한 복원력이 생성되게 된다. 이때 자기력이 복원력 제공부(20)에서 제공되는 복원력보다 큰 힘을 갖는다. 이러한 상태에서 압축력생성부(10)에 전압이 인가되면 압축력생성부(10)의 고분자유전체(1)가 수직방향으로 압축되어 복원력 제공부(20)인 코일스프링(21)의 길이가 늘어남에 따라 복원력이 상승하게 된다. 따라서 복원력의 상승으로 인해 복원력이 자기력보다 커지게 되어 컨택터(50)는 빠른 응답속도로 상부로 돌출되게 된다.
이하에서는 앞서 설명한 본 발명의 일실시예에 따른 고분자 유전체 기반 고성능 구동기를 이용한 촉감제공 액추에이터(100)의 작동원리 및 방법에 대해 보다 상세하게 설명하도록 한다. 먼저, 도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 복원력제공부(20)와 자기력 제공부 및 압축력생성부(10)를 모델링한 촉감제공 액추에이터(100)의 단면도를 도시한 것이다. 또한, 도 5b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 복원력제공부(20)와 자기력 제공부 및 압축력생성부(10)를 모델링한 촉감제공 액추에이터(100)의 단면도를 도시한 것이다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 강자성체층(42)이 복원력제공부(20)에 결합되고, 영구자석(41)이 압축력생성부(10)에 구비된 경우, 복원력제공부(20)를 탄성계수 Ks를 갖는 스프링(21)으로 표현하였고, 압축력생성부(10) 역시 탄성부재에 해당하므로 탄성계수 Ke를 갖는 것으로 표현하였음을 알 수 있다. 반면 도 5b에 도시된 바와 같이, 강자성체층(42)이 압축력생성부(10)에 결합되고, 영구자석(41)이 복원력제공부(20)에 구비된 경우, 복원력제공부(20)를 탄성계수 Ks를 갖는 스프링으로 표현하였고, 압축력생성부(10) 역시 탄성부재에 해당하므로 탄성계수 Ke를 갖는 것으로 표현하였음을 알 수 있다.
또한, 전압인가에 따라 압축력생성부(10)에서 생성되는 압축력은 하부측으로 방향으로 갖고, 압축력생성부(10)와 복원력제공부(20) 사이의 자기력 역시 하부측 방향을 갖고 있고, 복원력(Fe)은 이하의 수학식 7로 표현될 수 있다.
<수학식 7>
Fe = Ks*x + Ke*x`
여기서, 복원력은 도 5a에 도시된 것을 기준으로 x는 강자성체층(42)의 수직방향변위, x`는 영구자석(41)의 수직방향 변위를 나타낸다.
도 6a는 본 발명의 일실시예에 따른 압축력생성부(10)에 전압이 인가되지 않은 상태에서 촉감제공 액추에이터(100)의 단면도를 도시한 것이고, 도 6b는 본 발명의 일실시예에 따른 압축력생성부(10)에 전압이 인가되지 않은 상태에서 촉감제공 액추에이터(100)의 단면도를 도시한 것이다.
도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 촉감제공 액추에이터(100)는 하우징 하부판(31) 상부에 결합되는 고분자유전체(1)와 고분자유전체(1) 상하부에 결합되는 유연성을 갖는 전극층(2) 그리고, 그 상부에 결합되는 강자성체층(42), 압축력생성부(10)를 둘러싸고 있는 보호필름(5), 압축력생성부(10)의 상부측에 구비되는 코일스프링(21)과 코일스프링(21) 상단 외주부에 설치되는 스페이서(22), 코일스프링(21) 하부 끝단에 결합되는 컨택터(50), 컨택터(50)에 구비되는 영구자석(41)을 포함하고 있음을 알 수 있다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 압축력생성부(10)에 전압이 인가되지 않은 상태에서는 자기력(Fm)에 의해 컨택터(50)의 하부면이 압축력생성부(10)의 상부에 접촉되게 됨을 알 수 있다. 따라서 이러한 상태에서 압축력생성부(10)와 복원력제공부(20) 사이에는 자기력(Fm)이 발생되고, 그 자기력(Fm)의 반대방향으로는 복원력(Fe)이 제공된다. 이때 복원력(Fe)은 코일스프링(21)의 탄성계수(Ks)와 영구자석(41)의 수직방향 변위(x)의 곱이 되며 복원력(Fe)이 자기력(Fm)보다 작은 값을 갖게 된다.
도 6b에 도시된 바와 같이, 압축력생성부(10)에 전압이 인가되게 되면 고분자유전체(1)가 수직방향으로 압축되어 압축력생성부(10)가 하부측 방향으로 압축력(Fc)을 생성하게 되고, 복원력(Fe)이 상승되어 빠른 응답속도로 컨택터(50)가 상부로 돌출되게 된다. 즉, 이러한 상태에서 압축력생성부(10)와 복원력제공부(20) 사이에서 발생되는 자기력(Fm)이 감소되고, 복원력(Fe)이 상승되어 자기력보다 복원력(Fe)이 커지게 됨으로써 컨택터(50)가 복원력(Fe)에 의해 상부로 돌출되게 되고, 이러한 복원력(Fe)은 코일스프링(21)의 탄성계수(Ks)와 영구자석(41)의 수직방향 변위(x)의 곱과 고분자유전체(1)의 탄성계수(Ke)와 강자성체층(42)의 수직방향 변위(x`)의 곱을 더한 값이 된다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 FEM 분석을 이용한 Maxwell 2D 전자기 해석한 촉감제공 액추에이터(100)를 도시한 것이다. 또한, 도 8은 복원력제공부(20)가 없는 액추에이터(100)에 전압인가 전, 후 그리고, 본 발명의 일실시예에 따른 복원력제공부(20)가 있는 액추에이터(100)에 전압인가 전, 후에 따른 영구자석(41)의 수직방향 변위 대 영구자석(41)이 받는 힘 그래프를 도시한 것이다.
도 8d에 도시된 바와 같이, 복원력제공부(20)인 코일스프링(21)이 추가되게 됨으로써 영구자석(41)이 결합된 컨택터(50)의 수직방향 변위가 커지게 되고, 복원력제공부(20)의 복원력(Fe)에 의해 보다 빠른 응답을 낼 수 있음을 알 수 있다.
이하에서는 고분자 유전체 기반 고성능 구동기를 이용한 진동모터의 구성 및 작용에 대해 설명하도록 한다. 기본적으로 고분자 유전체 기반 고성능 구동기를 이용한 진동모터의 구성은 앞서 설명한 고분자 유전체 기반 고성능 구동기를 이용한 촉감제공 액추에이터(100)에서 컨택터(50) 대신 단위밀도가 높은 금속(예를 들어, 텅스텐, 철, SUS 또는 이들의 혼합물 등)으로 구성된 질량체를 갖는 것 외에 그 구성과 작동원리는 동일하다.
즉, 하우징 하부판(31) 상부에 압축력생성부(10)를 갖고, 그 상부에 코일스프링(21)으로 구성된 복원력제공부(20) 그리고, 복원력제공부(20) 하단에 결합된 영구자석(41)과 질량체 그리고, 압축력생성부(10) 상부에 구비되는 강자성체층(42)을 포함하고 있다. 따라서 압축력생성부(10)에 전압이 인가되기 전에는 질량체가 자기력에 의해 압축력생성부(10) 상부에 접촉되게 되고, 전압이 인가되게 되면 복원력 상승에 의해 질량체가 상부로 구동되게 된다.
즉, 압축력생성부(10)에 전압이 인가되기 전은 영구자석(41)과 강자성체층 (42)사이의 자기력에 의해 질량체가 하부로 내려가고, 압축력생성부(10)에 전압이 인가되게 되면 고분자유전체(1)가 수직방향으로 압축되어 질량체와 영구자석(41)이 하부로 내려가면서 복원력이 상승되게 된다. 복원력이 자기력보다 크게 되면 복원력에 의해 질량체가 상부로 구동되게 되고, 압축력생성부(10)에 인가된 전압을 제거하면 다시 고분자유전체(1)가 수직방향으로 인장되면서 영구자석(41)과 강자성체 (42)간의 자기력이 증가하여 질량체가 하부로 내려가게 된다.
따라서 압축력생성부(10)에 전압 인가, 제거를 반복하게 됨으로써 질량체가 진동하게 되고, 복원력이 작용하여 복귀 응답속도를 상승시키고, 압축력과 동일한 방향의 자기력에 의해 출력을 높여주게 된다.
이하에서는 고분자 유전체 기반 고성능 구동기를 이용한 진동모터 또는 촉감제공 액추에이터(100)를 적용한 촉각감성 피드백 제공장치의 작동방법에 대해 설명하도록 한다. 본 발명의 일실시예에 따른 피드백 제공장치는 앞서 설명한 촉감제공 액추에이터(100) 또는 진동모터가 구비되고, 액추에이터(100) 또는 진동모터의 전극층(2)에 전압을 인가하는 전압인가부 및 전압인가부를 제어하여 전극층(2)에 인가되는 전압주기를 조절하는 제어부를 포함하고 있다.
그리고 제어부는 공진주파수 펄스의 전압주기를 사람촉감의 시간분해능 이하에서 조절하며, 촉각 감성 피드백의 강도와 주기를 제어하게 된다. 즉, 사람 촉감의 시간분해능(Temporal acuity)은 5.5ms에 해당한다. 따라서 이러한 사람 촉감의 시간분해능 내에서 여러 번의 진동자극이 전달되어도 사람은 한 번의 자극이 왔다고 느끼게 된다. 그러나 이러한 사람 촉감의 시간분해능 내에서 진동주파수가 크게 되면 즉, 여러 번의 자극을 주게 되면 한 번의 자극으로 느끼지만 자극 횟수에 비례하여 큰 출력을 인지하게 된다. 따라서 제어부는 공진주기를 시간분해능 이하에서 조절하여 자극의 강도를 제어할 수 있게 된다.
도 9a는 본 발명의 일실시예에 따른 압축력생성부(10)에 전압이 인가되지 전과 후의 촉감제공 액추에이터(100)의 단면도, 그리고, 사람 촉감의 시간분해능(T1) 내에 3번의 진동(공진주기가 시간분해능의 1/3)을 갖는 진동 그래프를 도시한 것이다. 도 9b는 본 발명의 일실시예에 따른 고분자 유전체 기반 고성능 구동기를 이용한 촉감제공 액추에이터(100)를 적용한 피드백 제공장치에서의 공진주기(T2)와 자극 주기를 나타낸 그래프를 도시한 것이다.
도 9b의 왼쪽 첫번째 도시된 바와 같이, 사람 촉감의 시간분해능(T1) 내에서 3번의 자극을 주는 경우(즉, 공진주기(T2)가 사람 촉감의 시간분해능(T1)의 1/3배) 사람은 한 번의 자극으로 느끼게 된다.
또한, 제어부는 자극주기를 제어할 수 있다. 즉, 도 9b의 왼쪽 두번째 도시된 바와 같이, 사람 촉감의 시간분해능(T1) 내에서 3번의 자극을 주고, 1~2초 정도 자극주기(T3)를 두고 다시 사람 촉감의 시간분해능(T1) 내에서 3번의 자극을 주게 할 수 있다. 또한, 제어부는 자극의 강도를 제어할 수 있다. 즉, 도 9b의 왼쪽 세번째 도시된 바와 같이, 사람 촉감의 시간분해능 내에서 2번의 자극을 주고(공진주기(T2)가 사람 촉감의 시간분해능(T1)의 1/2배), 일정한 자극주기(T3) 후에 다시 사람 촉감의 시간분해능(T1) 내에서 4번의 자극을 주게(공진주기(T2)가 사람 촉감의 시간분해능(T1)의 1/4배)되면 사람은 2번의 자극을 받았다고 느끼게 되나 두번째 자극이 첫번째 자극보다 큰 것으로 느끼게 된다. 이러한 사람 촉감의 시간분해능(T1) 내 공진주파수를 제어할 수 있는 것은 앞서 설명한 진동모터 및 액추에이터(100)가 복원력제공부(20)와 자기력제공부를 가져 빠른 응답속도를 가질 수 있기 때문에 가능하다.
1:고분자유전체
2:전극층
3:종래 고분자유전체 기반 구동기
4:프레임
5:보호필름
6:종래 촉각제시장치
10:압축력생성부
20:복원력제공부
21:코일스프링
22:스페이서
23:밴딩에지
31:하우징 하부판
41:영구자석
42:강자성체층
50:컨택터
100:촉감제공 액추에이터
110:표면질감제시장치
Fc:압축력
Fe:복원력
Fm:자기력
T1:사람촉감 시간분해능
T2:공진주기
T3:자극주기

Claims (18)

  1. 고분자 유전체 기반 고성능 구동기에 있어서,
    유연성을 갖는 하우징;
    상기 하우징 내부의 상부 또는 하부에 구비되며, 인가되는 전압에 의해 평면방향으로 인장되고 수직방향으로 압축되는 고분자유전체와 상기 고분자유전체의 상부면과 하부면 각각에 설치되는 전극층을 갖는 압축력 생성부;
    상기 압축력 생성부와 특정간격 이격되어 구비되며 복원력을 제공하는 복원력 제공부; 및
    상기 압축력 생성부와 상기 복원력 제공부 사이에 자기력을 제공하는 상기 자기력 제공부를 포함하여,
    상기 압축력 생성부에 전압이 인가되지 않은 상태에서는 상기 자기력 제공부에서 제공되는 자기력에 의해 상기 압축력 생성부와 상기 복원력 제공부가 근접 또는 접촉되고, 상기 압축력 생성부에 전압이 인가되면 상기 압축력생성부에서 생성되는 압축력과 상기 복원력에 의해 상기 압축력 생성부와 상기 복원력 제공부가 이격되는 특징으로 하는 고분자 유전체 기반 고성능 구동기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 복원력 제공부는 스프링 또는 고분자유전체로 구성되는 것을 특징으로 하는 고분자 유전체 기반 고성능 구동기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 자기력 제공부는,
    상기 복원력 제공부의 일면에 결합되는 영구자석 및 상기 압축력 생성부의 타면에 결합되는 강자성체층을 포함하거나,
    상기 복원력 제공부의 일면에 결합되는 강자성체층 및 상기 압축력 생성부의 타면에 결합되는 영구자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 유전체 기반 고성능 구동기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 압축력 생성부는 복수로 적층되어 구비되는 것을 특징으로 하는 고분자 유전체 기반 고성능 구동기.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 고분자유전체는 유전탄성체인 것을 특징으로 하는 고분자 유전체 기반 고성능 구동기.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 압축력 생성부를 둘러싸는 보호필름을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 유전체 기반 고성능 구동기.
  7. 제 1항 또는 제 3항의 고분자 유전체 기반 고성능 구동기를 이용한 액추에이터에 있어서,
    상기 구동기에 구비된 상기 복원력 제공부의 하단에 결합되어 상기 복원력 제공부의 내측으로 출몰과 돌출을 반복 구동하는 컨택터를 포함하여,
    상기 구동기에 구비된 압축력 생성부에 전압이 인가되지 않은 상태에서는 자기력 제공부에서 제공되는 자기력에 의해 상기 컨택터와 상기 압축력 생성부가 근접 또는 접촉되어 상기 컨택터가 출몰되고, 상기 압축력 생성부에 전압이 인가되면 상기 압축력 생성부에서 생성되는 압축력과 상기 복원력제공부의 복원력에 의해 상기 컨택터가 돌출되는 것을 특징으로 하는 고분자 유전체 기반 고성능 구동기를 이용한 액추에이터.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 자기력 제공부는,
    상기 컨택터의 하단에 결합되는 영구자석 및 상기 압축력 생성부의 상부면에 결합되는 강자성체층을 포함하거나,
    상기 컨택터의 하단에 결합되는 강자성체층 및 상기 압축력 생성부의 상부면에 결합되는 영구자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 유전체 기반 고성능 구동기를 이용한 액추에이터.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 복원력 제공부는 상부에서 하부로 점진적으로 직경이 감소하는 코일스프링으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고분자 유전체 기반 고성능 구동기를 이용한 액추에이터
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 압축력 생성부는 복수로 적층되어 구비되는 것을 특징으로 하는 고분자 유전체 기반 고성능 구동기를 이용한 액추에이터.
  11. 제 7항의 액추에이터의 작동방법에 있어서,
    자기력 제공부에서 제공되는 자기력에 의해 복원력 제공부의 하단에 결합된 컨택터가 상기 압축력 생성부에 근접 또는 접촉되는 단계;
    상기 압축력 생성부에 전압이 인가되는 단계;
    상기 압축력 생성부에 구비되는 고분자유전체가 수직방향으로 압축되어 상기 복원력 제공부에서 제공되는 복원력이 상승되는 단계; 및
    상기 복원력이 상기 자기력보다 커져 상기 컨택터가 상부로 돌출되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액추에이터의 작동방법.
  12. 제 1항 또는 제 3항의 고분자 유전체 기반 고성능 구동기; 및
    상기 구동기에 구비된 복원력 제공부의 하단에 결합되는 질량체를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자유전체 기반 구동기를 이용한 진동모터.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 자기력 제공부는,
    상기 질량체에 결합되는 영구자석 및 상기 압축력 생성부의 상부면에 결합되는 강자성체층을 포함하거나, 상기 질량체에 결합되는 강자성체층 및 상기 압축력 생성부의 상부면에 결합되는 영구자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자유전체 기반 구동기를 이용한 진동모터.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 질량체는 텅스텐, SUS 및 철 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 햅틱 구동 장치를 이용한 진동모터.
  15. 촉각 감성 피드백 제공장치에 있어서,
    제 7항의 액추에이터;
    상기 액추에이터에 구비된 전극층에 전압을 인가하는 전압인가부; 및
    상기 전압인가부를 제어하여 상기 전극층에 인가되는 전압주기를 조절하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각 감성 피드백 제공장치.
  16. 촉각감성 피드백 제공장치에 있어서,
    제 12항의 진동모터;
    상기 진동모터에 구비된 전극층에 전압을 인가하는 전압인가부; 및
    상기 전압인가부를 제어하여 상기 전극층에 인가되는 전압주기를 조절하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각 감성 피드백 제공장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제어부는 공진주파수 펄스의 전압주기를 조절하여 촉각피드백의 강도와 주기를 제어하며, 상기 공진주파수는 사람촉감의 시간분해능 이하인 것을 특징으로 하는 촉각 감성 피드백 제공장치.
  18. 제16항의 촉각 감성 피드백 제공장치를 이용한 시청각장애인을 위한 고분자 유전체 기반 촉각 감성피드백 제공장치.
KR1020120024962A 2012-03-12 2012-03-12 고분자 유전체 기반 고성능 구동기, 그 구동기를 이용한 촉감제공 액추에이터, 진동모터, 작동방법, 촉각 감성 피드백 제공장치 및 시청각장애인을 위한 고분자 유전체 기반 촉각 감성피드백 제공장치 KR101284132B1 (ko)

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