KR101303329B1 - 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터, 고집적 및 고성능 촉감 액추에이터 어레이 및 촉감 감성피드백 제공장치 - Google Patents

고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터, 고집적 및 고성능 촉감 액추에이터 어레이 및 촉감 감성피드백 제공장치 Download PDF

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양태헌
박연규
송한욱
최인묵
김민석
이성준
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Abstract

본 발명은 고집적 표면 질감 제공장치, 고집적 및 고성능 표면 질감 제공장치, 고집적 및 고성능 촉감 액추에이터 어레이 및 촉감 감성 피드백 제공장치에 대한 것이다. 보다 상세하게는 고집적 및 고성능 표면 질감 제공장치에 있어서, 물망 형태를 갖고 유연성을 갖는 제1전극층, 평면 형상의 유연성을 갖는 제2전극층, 상기 제1전극층과 제2전극층 사이에 구비되며 인가되는 전압에 의해 수직방향으로 압축되는 제1고분자유전체 및 상기 제1고분자유전체의 하부면 가장자리에 결합되어 상기 고분자유전체의 평면방향으로의 인장을 구속하는 프레임을 구비한 돌기생성부; 및 기 돌기생성부의 하단에 구비되며, 유연성을 갖는 하우징; 상기 하우징의 상부 또는 하부에 구비되며 인가되는 전압에 의해 평면방향으로 인장되고 수직방향으로 압축되는 제2고분자유전체와 상기 제2고분자유전체의 상부면과 하부면 각각에 설치되는 전극층을 갖는 압축력 생성부를 구비한 액추에이팅부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고집적 및 고성능 표면 질감 제공장치에 관한 것이다.

Description

고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터, 고집적 및 고성능 촉감 액추에이터 어레이 및 촉감 감성피드백 제공장치{apparatus for providing texture with highly integrated, highly integrated­performance actuator, actuator array, and apparatus for providing tactile feedback}
본 발명은 고집적 표면 질감 제공장치, 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터, 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터 어레이 및 촉감 감성피드백 제공장치에 대한 것이다. 보다 상세하게는 소변위 생성과 고변위 생성을 동시에 일으켜 사용자에게 미세한 표면질감과 동시에 상대적으로 큰 촉감을 모두 전달할 수 있는 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터에 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 유전체의 고유의 점탄성 특성 때문에, 응답속도를 개선하는데는 한계가 있다. 그래서 본 발명에선 점탄성 특성에 따른 응답속도의 한계를 개선하기 위해 빠르게 복원되도록 하는 복원력 제공부를 추가한 액추에이터를 도시한다. 복원력 제공부는 탄성복원력 또는 점탄성복원력을 활용하여 구성이 가능하며, 이를 Compact하게 구성하는 것에 그 진보성이 있다.
상기의 복원력 제공부를 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 복원력 제공부가 Compact하게 디자인되어 삽입되는 것이 중요한 디자인 요소가 될 수 있다.
상기의 HD(High Definition) Haptic Device를 구현하기 위해선, 수넓은 주파수 대역 뿐만 아니라, 높은 Resolution을 갖는 조밀한 구동기의 배열이 필요하다. 상기와 같은 배열을 하기 위해 기존의 액추에이터 설계 방식으론 한계가 있으므로, 본 발명에선 고분자 유전체에 Texture를 표현할 수 있는 유연 전극(Flexible Electrode)의 배열을 고안하였다.
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 촉감 디스플레이 장치에 대한 일 예로 2007년 4월 25일자로 공개된 대한민국 등록 특허 제718896호는 고분자 유전체(1)의 외각을 고정하는 프레임(4)을 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)과 보호필름(5)을 포함하고 있음을 알 수 있다.
따라서 전극층(2)에 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 고집적 구조를 갖는 돌기생성부에 의해 미세 돌기를 생성시켜 사용자에게 미세한 표면질감을 제공하고, 동시에 고성능의 수직변위, 수직힘을 갖는 액추에이터를 제공하여 소변위 생성과 고변위 생성을 동시에 일으켜 사용자에게 미세한 표면질감과 동시에 상대적으로 큰 촉감을 모두 전달할 수 있는 촉감제공 액추에이터를 제공하게 된다.
또한, 압축력생성부에서 생성되는 압축력에 반대로 복원력 제공부에서 복원력을 생성시키게 됨으로써 복위 응답속도를 높일 수 있고, 자기력생성부를 포함하여 압축력과 동일한 방향으로 자기력을 생성시켜 수직력을 상승시킬 수 있는 고성능 촉감제공 액추에이터를 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 고집적 표면 질감 제공장치에 있어서, 격자형태를 갖고 유연성을 갖는 제1전극층; 제1전극층에 대칭을 이루는 제2전극층; 및 제1전극층과 제2전극층 사이에 구비되며 인가되는 전압에 의해 수직방향으로 압축되는 고분자유전체;를 포함하여, 고분자유전체는 상기 제1전극층과 제2전극층이 접촉된 부분에서 수직방향으로 압축되고, 상기 제1전극층과 상기 제2전극층 중 적어도 하나가 접촉되지 않은 부분은 돌출되는 것을 특징으로 하는 고집적 표면 질감 제공장치로서 달성될 수 있다.
상기 제2전극층은 평면형태인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 고분자유전체의 하부면 가장자리에 결합되어 상기 고분자유전체의 평면방향으로의 인장을 구속하는 프레임을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상부와 하부 각각에 구비되는 보호필름을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제2목적 촉각피드백 제공장치에 있어서, 앞서 언급한 고집적 표면 질감 제공장치; 고집적 표면 질감 제공장치에 구비된 제1전극층과 제2전극층에 전압을 인가하는 전압인가부; 및 전압인가부를 제어하여 상기 제1전극층과 상기 제2전극층에 인가되는 전압주기를 조절하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각피드백 제공장치로서 달성될 수 있다.
본 발명의 제3목적은 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터에 있어서 격자 형태를 갖고 유연성을 갖는 제1전극층, 상기 제1전극층에 대칭을 이루는 제2전극층, 상기 제1전극층과 제2전극층 사이에 구비되며 인가되는 전압에 의해 수직방향으로 압축되는 제1고분자유전체 및 상기 제1고분자유전체의 하부면 가장자리에 결합되어 상기 고분자유전체의 평면방향으로의 인장을 구속하는 프레임을 구비한 돌기생성부; 및 돌기생성부의 하단에 구비되며, 유연성을 갖는 하우징; 상기 하우징의 상부 또는 하부에 구비되며 인가되는 전압에 의해 평면방향으로 인장되고 수직방향으로 압축되는 제2고분자유전체와 상기 제2고분자유전체의 상부면과 하부면 각각에 설치되는 전극층을 갖는 압축력 생성부를 구비한 액추에이팅부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터로서 달성될 수 있다.
상기 제2전극층은 평면형태인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 액추에이팅부의 하우징 내부에 구비되어 상기 압축력생성부에서 생성된 압축력에 대응하여 복원력을 생성시키는 복원력제공부를 더 포함하는 것을 특징으로 있다.
상기 돌기생성부의 상부와 하부 각각에 구비되는 보호필름을 더 포함하는 것을 특징으로 있다.
상기 압축력 생성부는 복수로 적층되어 구비되는 것을 특징으로 있다.
상기 복원력제공부는 상기 압축력 생성부의 하부 또는 상부에 구비되며, 탄성부재 또는 고분자유전체로 구성되는 것을 특징으로 있다.
상기 압축력생성부와 상기 복원력 제공부 사이에 구비되는 영구자석; 및 하우징의 상부판과 하부판 각각에 구비되는 강자성체층을 더 포함하는 것을 특징으로 있다.
상기 액추에이팅부에 구비된 하우징의 상부판 중앙부와 압축력 생성부의 중앙부에 형성되는 홀; 및 압축력 생성부와 상기 복원력 제공부 사이에 결합되고, 상기 홀에서 돌출 및 복귀를 반복하는 컨택터를 포함하여, 전극층에 의해 상기 제2고분자유전체에 전압이 인가되면 압축력에 의해 상기 컨택터가 상부로 돌출되게 되어 상기 돌기생성부가 수직상승하게 하며, 전압인가가 제거되면 상기 복원력 제공부의 복원력에 의해 상기 컨택터가 복귀되는 것을 특징으로 있다.
본 발명의 제4목적은 앞서 언급한 고집적 및 고성능 표면질감 제공장치가 평면방향으로 복수개 결합되어 지는 것을 특징으로 하는 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터 어레이로서 달성될 수 있다.
본 발명의 제5목적은 촉각 피드백 제공장치에 있어서, 앞서 언급한 고성능 및 고집적 촉감제공 액추에이터; 고성능 및 고집적 표면 질감 제공장치의 돌기생성부에 구비된 제1전극층과 제2전극층에 전압을 인가하는 제1전압인가부; 및 제1전압인가부를 제어하여 상기 제1전극층과 상기 제2전극층에 인가되는 전압주기를 조절하는 제1제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각피드백 제공장치로서 달성될 수 있다.
또한, 고성능 및 고집적 표면 질감 제공장치의 액추에이팅부에 구비된 전극층에 전압을 인가하는 제2전압인가부; 및 제2전압인가부를 제어하여 상기 전극층에 인가되는 전압주기를 조절하는 제2제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제2제어부는 공진주파수 펄스의 전압주기를 조절하여 촉각피드백의 강도와 주기를 제어하며, 상기 공진주파수는 사람촉감의 시간분해능 이하인 것을 특징으로 할 수 있다.
따라서, 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예에 의하면, 고집적 구조를 갖는 돌기생성부에 의해 미세 돌기를 생성시켜 사용자에게 미세한 표면질감을 제공하고, 동시에 고성능의 수직변위, 수직힘을 갖는 액추에이터를 제공하여 소변위 생성과 고변위 생성을 동시에 일으켜 사용자에게 미세한 표면질감과 동시에 상대적으로 큰 촉감을 모두 전달할 수 있는 효과를 갖게 된다.
또한, 압축력생성부에서 생성되는 압축력에 반대로 복원력 제공부에서 복원력을 생성시키게 됨으로써 복위 응답속도를 높일 수 있고, 자기력생성부를 포함하여 압축력과 동일한 방향으로 자기력을 생성시켜 수직력을 상승시킬 수 있는 고성능 촉감제공 액추에이터를 제공하게 된다. 또한, 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 4는 본 발명의 일실시예에 따른 고집적 표면질감제공장치의 사시도,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 고집적 표면질감제공장치의 분해 사시도,
도 6a는 전압을 인가하지 않은 상태에서 발명의 일실시예에 따른 고집적 표면질감제공장치의 하나의 셀에 대한 단면도,
도 6b는 전압을 인가한 상태에서 본 발명의 일실시예에 따른 고집적 표면질감제공장치의 하나의 셀에 대한 단면도,
도 7a는 전압을 인가하지 않은 상태에서 발명의 일실시예에 따른 고집적 표면질감제공장치의 부분 단면도,
도 7b는 전압을 인가한 상태에서 본 발명의 일실시예에 따른 고집적 표면질감제공장치의 부분 단면도,
도 8a는 전압을 인가하기 전, 본 발명의 일실시예에 따른 고집적 표면질감제공장치에 대해 Ansys를 이용한 시뮬레이션 결과,
도 8b는 전압을 인가한 후, 본 발명의 일실시예에 따른 고집적 표면질감제공장치에 대해 Ansys를 이용한 시뮬레이션 결과,
도 9a는 본 발명의 제1실시예에 따른 고집적 및 고성능 액추에이터의 분해 사시도,
도 9b는 본 발명의 제1실시예에 따른 고집적 및 고성능 액추에이터 에레이의 분해 사시도,
도 10a는 본 발명의 제2실시예에 따른 고집적 및 고성능 액추에이터의 분해 사시도,
도 10b는 본 발명의 제2실시예에 따른 고집적 및 고성능 액추에이터의 단면도,
도 10c는 본 발명의 제2실시예에 따른 고집적 및 고성능 액추에이터 어레이의 분해 사시도,
도 11a는 본 발명의 제3실시예에 따른 고집적 및 고성능 액추에이터의 분해 사시도,
도 11b는 본 발명의 제3실시예에 따른 고집적 및 고성능 액추에이터의 단면도,
도 11c는 본 발명의 제3실시예에 따른 고집적 및 고성능 액추에이터 어레이의 분해 사시도,
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 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 고집적 표면 질감 제공장치(100)의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다. 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 고집적 표면질감제공장치(100)의 사시도를 도시한 것이다. 그리고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 고집적 표면질감제공장치(100)의 분해 사시도를 도시한 것이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 고집적 표면 질감 제공장치(100)는 전압을 인가받으면 평면방향으로 인장되고, 수직방향으로 압축되는 성질을 갖는 고분자유전체(1), 고분자 유전체(1)의 상부에 결합되는 그물망 형태의 제1전극층(110), 고분자유전체(1)의 하부에 결합되는 제2전극층(120) 및 고분자유전체(1)의 외곽을 고정시키기 위한 프레임(4) 등을 포함하고 있음을 알 수 있다.
제1전극층(110)은 유연성을 갖는 다수의 가로선과 세로선이 격자 모양으로 결합된 그물망 형태를 가지며, 구체적 실시예에서 제1전극층의 가로, 세로 길이는 각각 약 2.5mm로 구성되고, 총 100개의 셀로 구성되어 셀 하나의 가로, 세로 길이는 약 0.25mm로 구성된다.
그리고, 고분자유전체(1)의 하부면 외주부에 결합되는 유연성을 갖는 프레임(4)에 의해 고분자유전체(1)의 외곽을 고정하여 전압이 인가되어도 고분자유전체(1)의 외곽을 구속하게 된다.
또한, 고분자유전체(1)의 하부면에는 유연성을 갖는 평판 평태의 제2전극층(120)이 결합되고, 구체적 실시예에서 이러한 평판 형태의 제2전극층의 가로, 세로 길이는 약 2.5mm로 구성된다. 그리고, 본 발명의 일실시예에 따른 고집적 표면질감제공장치(100)의 상부와 하부 각각으로 보호필름(5)이 결합된다. 이러한 보호필름(5)은 절연용으로 고전이 누설되는 것을 방지하기 위해 설치되어 진다.
따라서 전압인가부에 의해 제1전극층(110)과 제2전극층(120)에 전압을 인가하게 되면 고분자유전체(1)에 전류가 흐르게 되어 제1전극층(110)과 접촉된 부분은 수직방향으로 압축되게 되고, 프레임(4)에 의해 고분자유전체(1)의 외곽이 구속되어 제1전극층(110)이 접촉되지 않은 부분은 수직방향으로 인장되게 된다.
도 6a는 전압을 인가하지 않은 상태에서 발명의 일실시예에 따른 고집적 표면질감제공장치(100)의 하나의 셀에 대한 단면도를 도시한 것이고, 도 6b는 전압을 인가한 상태에서 본 발명의 일실시예에 따른 고집적 표면질감제공장치(100)의 하나의 셀에 대한 단면도를 도시한 것이다.
그리고, 도 7a는 전압을 인가하지 않은 상태에서 발명의 일실시예에 따른 고집적 표면질감제공장치(100)의 부분 단면도를 도시한 것이고, 도 7b는 전압을 인가한 상태에서 본 발명의 일실시예에 따른 고집적 표면질감제공장치(100)의 부분 단면도를 도시한 것이다.
도 6b 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 제1전극층(110)과 제2전극층(120)을 통해 고분자유전체(1)에 전압을 인가하게 되면 고분자유전체(1)는 프레임(4)에 의해 외곽이 고정되어 있어 제1전극층(110)과 접촉된 부분은 수직방향으로 압축되고, 제1전극층(110)이 접촉되지 않은 부분은 밀려서 부풀리게 됨을 알 수 있다. 따라서 연속적으로 그물망 형태를 갖는 제1전극층(110) 사이의 밀려져 부풀어오르는 부분과 제1전극층(110)이 접촉되는 부분은 압축되는 현상에 의해 상부 측에 미세한 돌기가 생성되게 된다. 따라서 이러한 고집적 표면질감제공장치(100)에서 발생되는 미세돌기에 의해 사용자는 변형되는 질감의 느끼게 된다.
도 8a는 전압을 인가하기 전, 본 발명의 일실시예에 따른 고집적 표면질감제공장치에 대해 Ansys를 이용한 시뮬레이션 결과를 도시한 것이고, 도 8b는 전압을 인가한 후, 본 발명의 일실시예에 따른 고집적 표면질감제공장치에 대해 Ansys를 이용한 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다. 실시예에 사용된 고분자유전체(1)의 물성치는 압축력 2MPa, 영률(Young`s Modulus) 1.5Mpa, 푸아송 비(Poisson`s Ratio) 0.49이다. 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 제1전극층(110)이 접촉된 부분은 움푹 파이게 됨을 알 수 있다. 따라서 사용자가 상부면을 Active Touch 하는 경우 촉감을 느낄 수 있게 된다.
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터(300)의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다. 본 발명의 일실시예에 따른 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터(300)는 앞서 설명한 고집적 표면질감제공장치(100)에 고성능 촉감제공 액추에이터(300)를 결합한 형태를 갖는다.
즉, 본 발명의 일실시예에 따른 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터(300)는 돌기생성부(130)와 돌기생성부(130) 하단에 결합되는 액추에이팅부(200)를 포함하고 있고, 돌기생성부(130)는 앞서 설명한 고집적 표면질감제공장치(100)와 동일한 구성을 가지므로 상세한 설명은 생략하도록 한다.
도 9a는 본 발명의 제1실시예에 따른 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터(300)의 분해 사시도를 도시한 것이다. 그리고, 도 9b는 본 발명의 제1실시예에 따른 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터 어레이(400)의 분해 사시도를 도시한 것이다.
도 9a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터(300)의 상부측에 구비되는 돌기생성부(130)는 앞서 설명한 고집적 표면질감제공장치(100)와 동일한 구성을 갖고 하부측에 구비되는 액추에이팅부(200)는 앞서 발명의 배경이 되는 기술에서 설명한 고분자 유전체(1) 기반 구동기와 동일한 구성을 가짐을 알 수 있다.
도 2a, 도 2b, 도 2c 및 도 3에 도시된 바와 같이, 고분자 유전체 기반 구동기는 고분자유전체(1), 고분자유전체(1)의 상하면에 각각 코팅된 유연한 전극층(2) 그리고, 고분자유전체(1) 필름의 외각을 고정하는 고정프레임(4)을 포함하고 있음을 알 수 있다.
따라서 전극층(2)에 전압이 인가되면 액추에이팅부(200)에 구비된 고분자유전체(1)는 평면방향으로 인장되게 되고, 고정프레임(4)에 의해 고분자 유전체(1)의 외각이 구속되어 있어 결국 도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같이, 상부로 돌출되게 된다. 도 9a에 도시된 액추에이팅부(200)의 가로, 세로 길이는 약 2.5mm정도가 된다.
또한, 도 9b에 도시된 본 발명의 제1실시예에 따른 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터 어레이(400)는 도 9a에 도시된 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터(300) 64개가 평면방향으로 연결된 것임을 알 수 있다. 따라서 구체적 실시예에서 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터 어레이(400)의 가로, 세로 각각의 길이는 약 20mm정도이고, 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터(300)의 가로, 세로 각각의 길이는 약 2.5mm정도이며, 돌기생성부(130)에 구비되는 하나의 셀의 가로, 세로 길이는 약 0.25mm정도가 된다.
따라서 이러한 집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터(300)에 의해 소변위 생성과 고변위 생성을 동시에 일으켜 사용자에게 미세한 표면질감과 동시에 상대적으로 큰 촉감을 모두 전달하게 된다.
도 10a는 본 발명의 제2실시예에 따른 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터(300)의 분해 사시도를 도시한 것이고, 도 10b는 본 발명의 제2실시예에 따른 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터(300)의 단면도를 도시한 것이고, 도 10c는 본 발명의 제2실시예에 따른 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터 어레이(400)의 분해 사시도를 도시한 것이다.
도 10a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터(300)의 상부측에 구비되는 돌기생성부(130)는 앞서 설명한 고집적 표면질감제공장치(100)와 동일한 구성을 가지므로 액추에이팅부(200)를 중심으로 설명하도록 한다.
본 발명의 제2실시예에 따른 액추에이팅부(200)는 도 10b에 도시된 바와 같이, 유연성을 갖는 하우징의 상부판의 하부면에 결합되는 압축력생성부(210)를 포함하고 있고, 압축력생성부(210)의 하부로는 복원력을 제공하는 복원력제공부(220)를 포함하고 있으며, 압축력생성부(210)와 복원력제공부(220) 사이에는 컨택터(230)가 구비됨을 알 수 있다.
압축력생성부(210)는 전압이 인가되면 평면방향으로 인장되고, 수직방향으로 압축되는 고분자유전체(1)와 고분자유전체(1)의 상부와 하부 각각에 결합되는 전극층(2)을 포함하며 이러한 압축력생성부(210)는 복수로 적층되어 구비되게 된다.
또한, 압축력생성부(210)와 하우징의 상부면에는 특정 직경을 갖는 홀이 형성되며 이러할 홀 내측으로 돌출과 복귀를 반복 구동하는 컨택터(230)가 압축력생성부(210) 하단에 결합되게 된다. 복원력제공부(220)는 컨택터(230)의 하부와 하우징의 하부판 사이에 결합되어 복원력을 제공하게 된다. 따라서 압축력생성부(210)에 전압이 인가되게 되면 고분자유전체(1)가 수직방향으로 압축되면서 컨택터(230)가 상부로 돌출되게 된다. 그리고, 복원력제공부(220)의 복원력은 상승되게 된다. 반면 압축력생성부(210)에 인가된 전압이 제거되게 되면, 복원력제공부(220)에서 제공된 복원력에 의해 컨택터(230)가 빠르게 하부측으로 복귀하게 된다. 따라서 액추에이팅부(200)는 상대적으로 돌기생성부(130)에 비해 더 큰 수직힘과 수직변위를 갖게 된다.
구체적 실시예에서 도 10a에 도시된 액추에이팅부(200)의 가로, 세로 길이는 약 2.5mm정도가 된다. 또한, 도 10c에 도시된 본 발명의 제2실시예에 따른 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터 어레이(400)는 도 10a에 도시된 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터(300) 64개가 평면방향으로 연결된 것임을 알 수 있다. 따라서 구체적실시예에서 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터 어레이(400)의 가로, 세로 각각의 길이는 약 20mm정도이고, 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터(300)의 가로, 세로 각각의 길이는 약 2.5mm정도이며, 돌기생성부(130)에 구비되는 하나의 셀의 가로, 세로 길이는 약 0.25mm정도가 된다.
따라서 이러한 집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터(300)에 의해 소변위 생성과 고변위 생성을 동시에 일으켜 사용자에게 미세한 표면질감과 동시에 상대적으로 큰 촉감을 모두 전달하게 된다.
도 11a는 본 발명의 제3실시예에 따른 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터(300)의 분해 사시도를 도시한 것이고, 도 11b는 본 발명의 제3실시예에 따른 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터(300)의 단면도를 도시한 것이며, 도 11c는 본 발명의 제3실시예에 따른 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터 어레이(400)의 분해 사시도를 도시한 것이다.
도 11a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에 따른 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터(300)의 상부측에 구비되는 돌기생성부(130)는 앞서 설명한 고집적 표면질감제공장치(100)와 동일한 구성을 가지므로 액추에이팅부(200)를 중심으로 설명하도록 한다.
본 발명의 제3실시예에 따른 액추에이팅부(200)는 도 11b에 도시된 바와 같이, 유연성을 갖는 하우징의 내부 상부측에 구비되는 상부 압축력생성부(211)와 하부에 구비되는 하부 압축력생성부(212)를 포함하고 있으며, 상부 압축력생성부(211)와 하부 압축력생성부(212) 사이에 영구자석(241)이 구비되고, 하우징의 상부판과 하부판 각각에 강자성체층(242)이 결합되어 있음을 알 수 있다.
상부 압축력생성부(211)와 하부 압축력생성부(212) 각각은 전압이 인가되면 평면방향으로 인장되고, 수직방향으로 압축되는 고분자유전체(1)와 고분자유전체(1)의 상부와 하부 각각에 결합되는 전극층(2)을 포함하며 이러한 상부, 하부 압축력생성부(211, 212)는 복수로 적층되어 구비되게 된다.
또한, 상부 압축력생성부(211)와 하우징의 상부면에는 특정 직경을 갖는 홀이 형성되며 이러할 홀 내측으로 돌출과 복귀를 반복 구동하는 컨택터(230)가 상부 압축력생성부(211) 하단에 결합되게 된다. 그리고, 컨택터(230)의 하부면에는 영구자석(241)이 결합되게 된다.
따라서 상부 압축력생성부(211)에 전압이 인가되면 상부 압축력생성부(211)에 구비된 고분자유전체(1)가 수직방향으로 압축되면서 컨택터(230)가 상부로 돌출되게 되고, 하부 압축력생성부(212)에 의해 복원력이 발생되게 되고, 또한, 하우징 상부판에 구비된 강자성체층(242)과 컨택터(230) 하부에 결합된 영구자석(241) 사이에 자기력이 상승되게 된다. 따라서 이러한 자기력에 의해 보다 큰 수직힘과 변위를 제공하게 된다.
또한, 상부 압축력생성부(211)에 제공된 전압이 제거되더라도, 이러한 자기력에 의해 컨택터(230)는 살짝 하부로 이동되지만 여전히 돌출된 상태를 유지하게 되고, 하부 압축력생성부(212)에 전압이 인가되면 하부 압축력생성부(212)에 구비된 고분자유전체(1)가 수직방향으로 압축되면서 컨택터(230)가 하부로 출몰되게 되고, 상부 압축력생성부(211)에 의해 복원력이 발생되게 되고, 또한, 하우징 하부판에 구비된 강자성체층(242)과 컨택터(230) 하부에 결합된 영구자석(241) 사이에 자기력이 상승되게 된다. 따라서 이러한 자기력에 의해 보다 큰 수직힘과 변위를 제공하게 되고, 복원력에 의해 보다 빠르게 컨택터(230)가 출몰되게 된다.
구체적 실시예에서 도 11a에 도시된 액추에이팅부(200)의 가로, 세로 길이는 약 2.5mm정도가 된다. 또한, 도 11c에 도시된 본 발명의 제3실시예에 따른 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터 어레이(400)는 도 11a에 도시된 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터(300) 64개가 평면방향으로 연결된 것임을 알 수 있다. 따라서 구체적실시예에서 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터 어레이(400)의 가로, 세로 각각의 길이는 약 20mm정도이고, 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터(300)의 가로, 세로 각각의 길이는 약 2.5mm정도이며, 돌기생성부(130)에 구비되는 하나의 셀의 가로, 세로 길이는 약 0.25mm정도가 된다.
따라서 이러한 집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터(300)에 의해 소변위 생성과 고변위 생성을 동시에 일으켜 사용자에게 미세한 표면질감과 동시에 상대적으로 큰 촉감을 모두 전달하게 된다.
이하에서는 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터(300)를 적용한 촉감감성피드백 제공장치의 작동방법에 대해 설명하도록 한다. 본 발명의 일실시예에 따른 촉감감성피드백 제공장치는 앞서 설명한 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터(300)가 구비되고, 촉감제공 액추에이터(300)를 구성하는 돌기생성부(130)의 제1전극층(110)과 제2전극층(120)에 전압을 인가하는 제1전압인가부 및 액추에이팅부(200)의 전극층(2)에 전압을 인가하는 제2전압인가부 및 제1전압인가부를 제어하여 전극층에 인가되는 전압주기를 조절하는 제1제어부 및 제2전압인가부를 제어하여 전극층에 인가되는 전압주기를 조절하는 제2제어부를 포함하고 있다.
그리고 제1제어부 및 제2제어부는 공진주파수 펄스의 전압주기를 사람촉감의 시간분해능 이하에서 조절하며, 촉감피드백의 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 인가받게 된다. 따라서 제어부는 공진주파수를 시간분해능 이하에서 조절하여 자극의 강도를 제어할 수 있게 된다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 촉감제공 액추에이터(300)를 적용한 촉감감성피드백 제공장치에서의 공진주파수(1/T2, T2:공진주기) 와 자극 주기(T3)를 나타낸 그래프를 도시한 것이다. 도 12의 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, 제1제어부 및 제2제어부는 자극주기를 제어할 수 있다. 즉, 도 12의 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, 제1제어부 및 제2제어부는 자극의 강도를 제어할 수 있다. 즉, 도 12의 왼쪽 세번째 도시된 바와 같이, 첫번째 사람 촉감의 시간분해능(T1) 내에서 2번의 자극을 주고(공진주기(T2)가 사람 촉감의 시간분해능(T1)의 1/2배), 일정한 자극주기 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 내 공진주파수를 제어할 수 있는 것은 앞서 설명한 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이팅부(200)가 복원력제공부(220)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 촉감제시장치
100:고집적 표면질감 제공장치
110:제1전극층
120:제2전극층
130:돌기생성부
200:액추에이팅부
210:압축력생성부
211:상부 압축력생성부
212:하부 압축력생성부
220:복원력제공부
230:컨택터
241:영구자석
242:강자성체층
300:고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터
400:고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터 어레이
T1:사람촉감의 시간분해능
T2:공진주기
T3:자극주기

Claims (17)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터에 있어서,
    격자 형태를 갖고 유연성을 갖는 제1전극층, 상기 제1전극층에 대칭을 이루는 제2전극층, 상기 제1전극층과 제2전극층 사이에 구비되며 인가되는 전압에 의해 수직방향으로 압축되는 제1고분자유전체 및 상기 제1고분자유전체의 하부면 가장자리에 결합되어 상기 고분자유전체의 평면방향으로의 인장을 구속하는 프레임을 구비한 돌기생성부; 및
    상기 돌기생성부의 하단에 구비되며, 유연성을 갖는 하우징; 상기 하우징의 상부 또는 하부에 구비되며 인가되는 전압에 의해 평면방향으로 인장되고 수직방향으로 압축되는 제2고분자유전체와 상기 제2고분자유전체의 상부면과 하부면 각각에 설치되는 전극층을 갖는 압축력 생성부를 구비한 액추에이팅부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제2전극층은 평면형태인 것을 특징으로 하는 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 액추에이팅부의 하우징 내부에 구비되어 상기 압축력생성부에서 생성된 압축력에 대응하여 복원력을 생성시키는 복원력제공부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 돌기생성부의 상부와 하부 각각에 구비되는 보호필름을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 압축력 생성부는 복수로 적층되어 구비되는 것을 특징으로 하는 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 복원력제공부는,
    상기 압축력 생성부의 하부 또는 상부에 구비되며, 탄성부재 또는 고분자유전체로 구성되는 것을 특징으로 하는 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터.

  12. 제 8항에 있어서,
    상기 압축력생성부와 상기 복원력 제공부 사이에 구비되는 영구자석; 및
    상기 하우징의 상부판과 하부판 각각에 구비되는 강자성체층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터.
  13. 제 8항 또는 제12항에 있어서,
    상기 액추에이팅부에 구비된 하우징의 상부판 중앙부와 압축력 생성부의 중앙부에 형성되는 홀; 및
    상기 압축력 생성부와 상기 복원력 제공부 사이에 결합되고, 상기 홀에서 돌출 및 복귀를 반복하는 컨택터를 포함하여,
    상기 제2고분자유전체의 상부면과 하부면 각각에 설치되는 전극층에 전압이 인가되며 상기 제2고분자유전체의 압축력에 의해 상기 컨택터가 상부로 돌출되게 되어 상기 돌기생성부가 수직상승하게 하며, 전압인가가 제거되면 상기 복원력 제공부의 복원력에 의해 상기 컨택터가 복귀되는 것을 특징으로 하는 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터.
  14. 제 6항의 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터가 평면방향으로 복수개 결합되어 지는 것을 특징으로 하는 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터 어레이.
  15. 촉감 감성 피드백 제공장치에 있어서,
    제 6항의 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터;
    상기 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터의 돌기생성부에 구비된 제1전극층과 제2전극층에 전압을 인가하는 제1전압인가부; 및
    상기 제1전압인가부를 제어하여 상기 제1전극층과 상기 제2전극층에 인가되는 전압주기를 조절하는 제1제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉감 감성 피드백 제공장치.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 고집적 및 고성능 촉감제공 액추에이터의 액추에이팅부에 구비된 전극층에 전압을 인가하는 제2전압인가부; 및
    상기 제2전압인가부를 제어하여 상기 전극층에 인가되는 전압주기를 조절하는 제2제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 촉감 감성 피드백 제공장치.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 제2제어부는 공진주파수 펄스의 전압주기를 조절하여 촉감피드백의 강도와 주기를 제어하며, 상기 공진주파수는 사람촉감의 시간분해능 이하인 것을 특징으로 하는 촉감 감성 피드백 제공장치.
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