KR101549494B1

KR101549494B1 - 마찰력과 진동을 제공하는 액추에이터, 그 액추에이터의 제조방법, 그 액추에이터를 이용한 촉각피드백 생성장치 및 생성방법

Info

Publication number: KR101549494B1
Application number: KR1020140104437A
Authority: KR
Inventors: 김종호; 양태헌; 박연규; 김민석; 최재혁; 우삼용
Original assignee: 한국표준과학연구원
Priority date: 2014-08-12
Filing date: 2014-08-12
Publication date: 2015-09-14

Abstract

본 발명은 마찰력과 진동을 제공하는 액추에이터, 그 엑추에이터의 제조방법, 그 액추에이터를 이용한 촉각피드백 생성장치 및 생성방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 제1객체의 터치를 입력받고, 상기 제1객체에 촉각 피드백을 제공하기 위한 액추에이터에 있어서, 상면에 하부전극이 형성된 하부필름; 상기 하부필름과 특정간격 이격되며, 하면에 중간전극이 형성된 상부필름; 상기 상부필름 상면에 형성되는 상부전극; 상기 중간전극과 하부전극 사이의 중앙부에 구비되는 접착범프; 상기 상부전극, 상기 중간전극 및 상기 하부전극에 입력전압파형을 인가하는 구동장치;를 포함하고, 상기 구동장치에 의해 입력전압파형을 상기 상부전극, 상기 중간전극 및 상기 하부전극 중 적어도 하나인 제 1 전극에 인가하는 경우, 제 1 정전기력 및 제 2 정전기력 중 적어도 하나가 형성되고, 상기 제 1 정전기력은 제 2 전극과 상기 하부전극 사이에 형성되고, 상기 제 2 정전기력은 상기 제 2 전극과 상기 제 1 객체 사이에 형성되며, 상기 제 2 전극은 상기 상부전극 및 상기 중간전극 중 적어도 하나이고, 상기 촉각 피드백은 상기 제 1 정전기력에 의하여 발생된 진동 및 상기 제 2 정전기력에 의하여 발생된 마찰력 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 마찰력과 진동을 제공하는 액추에이터에 관한 것이다.

Description

마찰력과 진동을 제공하는 액추에이터, 그 액추에이터의 제조방법, 그 액추에이터를 이용한 촉각피드백 생성장치 및 생성방법{Actuator for providing friction and vibration, haptic feedback genrating apparatus using the actuator, the method for controlling and the method for manufacturing thereof}

본 발명은 마찰력과 진동을 제공하는 액추에이터, 그 액추에이터의 제조방법, 그 액추에이터를 이용한 촉각피드백 생성장치 및 생성방법에 대한 것이다.

일반적으로 촉감이란 물체를 만질 때 사람의 손가락 또는 스타일러스 펜으로 느낄 수 있는 촉각적 감각으로서, 피부가 물체 표면에 닿아서 느끼는 촉감 피드백과 관절과 근육의 움직임이 방해될 때 느껴지는 근감각 피드백을 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 눌러주는 스트레치를 감지하는 루피니 엔딩(Ruffini's ending) 등이 있다.

이러한 감각수용기를 자극하기 위한 다양한 촉감 제시장치들로, 피에조 액추에이터, 솔레노이드 액추에이터, DC/AC 모터, 서버모터, 초음파 액추에이터, 형상기억합금세라믹 액추에이터, 전기활성폴리머 액추에이터 등 다양한 액추에이터 등이 있다.

촉감 제시장치의 대표적인 예로는 모바일 디바이스에서 터치스크린의 입력에 따라 진동모터로 진동을 발생시켜 고주파/저주파의 진동을 감지하는 파치니언/마이스너 소체를 자극하는 장치가 있다.

한편, 진동모터(진동발생 모듈)는 휴대용 기기에 적용되어 소정의 감각을 전달하는 장치로서, 종래의 기술은 사용자가 손가락으로 터치 패널을 터치하면 그에 대한 반응으로 진동감각을 출력하는 방식이었다.

이러한 종래의 진동발생 모듈은 사용자가 손가락으로 인지할 수 있을 정도의 세기를 갖는 진동을 발생시켜야 하므로 비교적 높은 동작전압을 사용하여야 한다는 문제점이 있었다.

또한, 진동발생 모듈이 빈번하게 사용되는 휴대용 기기는 소지의 편의를 위하여 그 크기를 줄이고 있는 추세이고, 이에 따라 공급할 수 있는 전력의 용량에 한계가 있었다.

그러나, 종래의 진동발생 모듈은 전력소모가 크기 때문에 이러한 휴대용 기기에 적용하여 사용하기에는 불편할 수 있다는 문제점이 있었다.

나아가, 종래의 진동발생 모듈은 단순한 진동감각만을 출력할 수 있었으며 진동의 강도나 간격을 조절하기가 곤란하고 다양한 촉각 피드백을 생성하기 어렵다는 문제점이 있었다.

또한, 종래의 진동발생 모듈은 촉각 피드백을 발생시키는 액추에이터로 기능할 뿐, 터치를 감지하는 센서로서의 기능은 할 수 없어서 다양한 활용에 한계가 있다는 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허 제10-1124227호 대한민국 등록특허 제10-1115421호 대한민국 등록특허 제10-1022065호

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 일실시예에 따르면, 전극 사이에 접착범프(adhesive bump)를 구비하게 됨으로써 보다 큰 충격량을 갖는 진동 및 마찰력을 이용하여 수평방향과 수직방향의 촉각 피드백을 형성하여 보다 효과적으로 사용자에게 촉각피드백을 제공해 줄 수 있는 액추에이터를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 그 밖에 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 관련되어 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명확해질 것이다.

본 발명의 제1목적은, 제1객체의 터치를 입력받고, 상기 제1객체에 촉각 피드백을 제공하기 위한 액추에이터에 있어서, 상면에 하부전극이 형성된 하부필름;상기 하부필름과 특정간격 이격되며, 하면에 상부전극이 형성된 상부필름; 상기 상부전극와 하부전극 사이의 중앙부에 구비되는 접착범프; 상기 상부전극 또는 상기 하부전극에 입력전압파형을 인가하는 구동장치;를 포함하고, 상기 상부전극과 상기 하부전극 사이에 제1정전기력이 형성되고, 상기 상부전극과 상기 제 1 객체 사이에 제2정전기력이 형성되며, 상기 촉각 피드백은 상기 제 1 정전기력에 의하여 발생된 진동 및 상기 제 2 정전기력에 의하여 발생된 마찰력 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 마찰력과 진동을 제공하는 액추에이터로서 달성될 수 있다.

또한, 상기 제 1 정전기력은 하기의 수학식을 이용하여 결정되는 것을 특징으로 할 수 있다.

수학식

여기서,

은 제 1 정전기력이고,

는 진공의 유전율이며,

은 유전상수이고,

는 상기 제 상부전극과 상기 하부전극이 겹쳐지는 면의 넓이이며,

는 상기 상부전극 및 상기 하부전극 중 적어도 어느 하나에 인가되는 전압이고,

은 상기 상부전극과 상기 하부전극 사이의 간격이다.

또한, 상기 제 1 객체가 상기 상부필름을 터치하며 움직이는 경우, 상기 마찰력이 발생되고, 상기 제 2 정전기력은 하기의 수학식 1을 이용하여 결정되고, 상기 마찰력은 하기의 수학식 2를 이용하여 결정되는 것을 특징으로 할 수 있다.

수학식 1

여기서,

은 제 2 정전기력이고,

는 진공의 유전율이며,

은 유전상수이고,

는 상기 상부전극과 상기 제 1 객체가 겹쳐지는 면의 넓이이며,

은 상기 상부전극과 상기 제 1 객체 사이의 간격이고,

수학식 2

여기서,

는 마찰력이고,

는 마찰계수이며,

는 제 2 정전기력이다.

본 발명의 제2목적은, 제1객체의 터치를 입력받고, 상기 제1객체에 촉각 피드백을 제공하기 위한 액추에이터에 있어서, 상면에 하부전극이 형성된 하부필름;상기 하부필름과 특정간격 이격되며, 하면에 중간전극이 형성된 상부필름; 상기 상부필름 상면에 형성되는 상부전극; 상기 중간전극와 하부전극 사이의 중앙부에 구비되는 접착범프; 상기 상부전극, 상기 중간전극 및 상기 하부전극에 입력전압파형을 인가하는 구동장치;를 포함하고, 상기 구동장치에 의해 입력전압파형을 상기 상부전극, 상기 중간전극 및 상기 하부전극 중 적어도 하나인 제 1 전극에 인가하는 경우, 제 1 정전기력 및 제 2 정전기력 중 적어도 하나가 형성되고, 상기 제 1 정전기력은 제 2 전극과 상기 하부전극 사이에 형성되고, 상기 제 2 정전기력은 상기 제 2 전극과 상기 제 1 객체 사이에 형성되며, 상기 제 2 전극은 상기 상부전극 및 상기 중간전극 중 적어도 하나이고, 상기 촉각 피드백은 상기 제 1 정전기력에 의하여 발생된 진동 및 상기 제 2 정전기력에 의하여 발생된 마찰력 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 마찰력과 진동을 제공하는 액추에이터로서 달성될 수 있다.

또한, 상기 제1객체에 위한 터치 또는 접촉힘을 감지하는 힘센서부; 및 상기 힘센서부가 터치 또는 접촉힘을 감지한 경우, 상기 구동장치를 구동제어하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 입력전압파형은, 제1주파수를 가지며, 시간에 따라 진폭과 평균이 변형되고, 각 주기의 피크값을 연결한 포락선은 제2주파수를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 입력전압파형의 진폭은 60 ~ 6000V이고, 상기 제1주파수는 1kHz ~ 100kHz이고, 상기 제2주파수는 1Hz ~ 500Hz인 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 제1주파수 또는 상기 제2주파수는 액추에이터의 공진주파수인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 입력전압파형은, 제1주파수를 가지며, 시간에 따라 진폭과 평균이 변형되고, 각 주기의 피크값을 연결한 포락선은 제2주파수를 갖고 이것을 통하여 마찰력과 진동을 제공하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 상부전극 및 상기 하부전극 중 적어도 하나에 도포층(Cover Layer);을 형성하여 상기 상부전극과 하부전극의 접촉을 방지하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 중간전극 및 상기 하부전극 중 적어도 하나에 도포층(Cover Layer);을 형성하여 상기 중간전극과 하부전극의 접촉을 방지하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 상부전극에 상기 입력전압파형이 인가되고, 상기 하부전극은 접지연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 중간전극에 상기 입력전압파형이 인가되고, 상기 상부전극과 상기 하부전극은 접지연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제3목적은, 촉각피드백 생성장치에 있어서, 앞서 언급한 제 1목적에 따른 액추에이터; 제 1객체의 터치 또는 접촉힘을 감지하는 힘센서부; 상기 액추에이터의 상부전극 및 하부전극 중 적어도 하나에 인가시키기 위한 입력전압파형을 형성하는 액추에이터 구동장치; 및 상기 힘센서부에서 터치 또는 접촉힘을 감지한 경우, 상기 상부전극 및 하부전극 중 적어도 하나에 상기 입력전압파형을 인가하도록 상기 액추에이터 구동장치를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각피드백 생성장치로서 달성될 수 있다.

본 발명의 제4목적은, 촉각피드백 생성장치에 있어서, 앞서 언급한 제2목적에 따른 액추에이터; 제 1객체의 터치 또는 접촉힘을 감지하는 힘센서부; 상기 액추에이터의 중간전극 및 하부전극 중 적어도 하나에 인가시키기 위한 입력전압파형을 형성하는 액추에이터 구동장치; 및 상기 힘센서부에서 터치 또는 접촉힘을 감지한 경우, 상기 중간전극 및 하부전극 중 적어도 하나에 상기 입력전압파형을 인가하도록 상기 액추에이터 구동장치를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각피드백 생성장치로서 달성될 수 있다.

또한, 본 발명의 제5목적은, 제 1객체가 상부필름의 전체 영역 중 적어도 일부를 터치하는 단계; 힘센서부가 터치 또는 접촉힘을 감지하는 단계; 제어부가 액추에이터 구동장치를 작동시키고, 상기 구동장치가 입력전압파형을 생성하는 단계; 상기 하부전극이 접지연결되고, 상기 입력전압파형이 액추에이터의 상부전극에 인가되는 단계; 상기 상부전극과 상기 하부전극 사이에 제1정전기력이 형성되고, 상기 상부전극과 상기 제1객체 사이에 제2정전기력이 형성되는 단계; 상기 제 1 정전기력에 의하여 발생된 진동 및 상기 제 2 정전기력에 의하여 발생된 마찰력 중 적어도 하나의 촉각 피드백이 발생하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각 피드백 생성방법으로서 달성될 수 있다.

본 발명의 제6목적은, 제 1객체가 상부필름의 전체 영역 중 적어도 일부를 터치하는 단계; 힘센서부가 터치 또는 접촉힘을 감지하는 단계; 제어부가 액추에이터 구동장치를 작동시키고, 상기 구동장치가 입력전압파형을 생성하는 단계; 상기 상부 전극과, 하부전극이 접지연결되고, 상기 입력전압파형이 액추에이터의 중간전극에 인가되는 단계; 상기 중간전극과 상기 하부전극 사이에 제1정전기력이 형성되고, 상기 상부전극 및 상기 중간전극 중 적어도 어느 하나와 상기 제1객체 사이에 제2정전기력이 형성되는 단계; 상기 제 1 정전기력에 의하여 발생된 진동 및 상기 제 2 정전기력에 의하여 발생된 마찰력 중 적어도 하나의 촉각 피드백이 발생하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각 피드백 생성방법으로서 달성될 수 있다.

본 발명의 제7목적은, 앞서 언급한 제 1목적에 따른 액추에이터를 제조하는 방법에 있어서, 하부필름 상면에 하부전극을 형성하는 단계; 상기 하부전극의 중앙부에 접착범프를 접착시키는 단계; 및 상부필름의 하면에 상부전극을 형성시키고, 상기 상부전극의 하면을 상기 접착펌프의 상면에 접착시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰력과 진동을 제공하는 액추에이터의 제조방법으로서 달성될 수 있다.

또한, 상기 상부전극 및 상기 하부전극 중 적어도 어느 하나에 도포층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제8목적은, 앞서 언급한 제 2목적에 따른 액추에이터를 제조하는 방법에 있어서, 하부필름 상면에 하부전극을 형성하는 단계; 상기 하부전극의 중앙부에 접착범프를 접착시키는 단계; 및 상부필름의 하면에 중간전극을 형성시키고, 상기 상부필름의 상면에 상부전극을 형성시키고, 상기 중간전극의 하면을 상기 접착펌프의 상면에 접착시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰력과 진동을 제공하는 액추에이터의 제조방법으로서 달성될 수 있다.

또한, 상기 중간전극 및 상기 하부전극 중 적어도 어느 하나에 도포층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 전극 사이에 접착범프(adhesive bump)를 구비하게 됨으로써 보다 큰 충격량을 갖는 진동 및 마찰력을 이용하여 수평방향과 수직방향의 촉각 피드백을 형성하여 보다 효과적으로 사용자에게 촉각피드백을 제공해 줄 수 있는 효과를 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 1은 본 발명의 일실시예에 따른 촉각피드백 생성장치의 구성을 나타낸 블록도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 진동과 마찰력을 제공하는 액추에이터의 평면도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 진동과 마찰력을 제공하는 액추에이터 단위셀의 평면도,
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 액추에이터 단위셀의 단면도,
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 액추에이터 단위셀의 단면도
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 진동과 마찰력을 제공하는 액추에이터 제조방법의 흐름도,
도 7a는 본 발명의 일실시예에 따른 하부필름 상면에 하부전극이 부착된 상태의 단면도,
도 7b는 본 발명의 일실시예에 따른 하부전극 중앙부에 접착범프가 부착된 상태의 단면도,
도 7c는 본 발명의 일실시예에 따른 도포층에 구비된 중간전극과 상부필름이 부착된 상태의 단면도,
도 7d는 본 발명의 일실시예에 따른 상부필름 상부에 상부전극이 형성된 상태의 단면도,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 촉각피드백 생성방법의 흐름도,
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 촉각피드백의 개념을 설명하기 위한 도면,
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 일실시예에 따라, 정전기력을 이용한 마찰력이 촉각피드백으로 발생하는 개념을 나타낸 도면,
도 11a는 본 발명의 일실시예에 따른 상부전극과 하부전극이 접지되고, 중간전극에 입력전압(Vcc)이 인가되는 상태의 액추에이터의 단면도,
도 11b는 본 발명의 일실시예에 따른 상부전극과 하부전극에 입력전압(-Vcc)이 인가되고, 중간전극에 입력전압(Vcc)이 인가되는 상태의 액추에이터의 단면도,
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 입력전압파형 그래프,
도 13은 도 12의 확대도,
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 입력전압파형 그래프,
도 15는 본 발명의 제1실시예에 따른 액추에이터 구동장치의 구성을 나타낸 블록도,
도 16a는 본 발명의 제1실시예에 따른 정전압인가부에서 출력되는 정전압의 일예를 나타낸 그래프,
도 16b는 본 발명의 제1실시예에 따른 스위칭부가 off된 상태에서 공진회로가 구비된 파워 오실레이터에서 출력되는 전압파형의 일예를 나타낸 그래프,
도 16c는 본 발명의 제1실시예에 따라 스위칭부가 작동되는 상태에서 공진회로가 구비된 파워 오실레이터에서 출력되는 전압파형의 일예를 나타낸 그래프,
도 16d는 본 발명의 제1실시예에 따른 증폭부에 의해 증폭되어 액추에이터에 인가되는 입력전압파형의 일예를 나타낸 그래프,
도 17은 본 발명의 제2실시예에 따른 액추에이터 구동장치의 구성을 나타낸 블록도,
도 18a는 본 발명의 제2실시예에 따른 정전압인가부에서 출력되는 정전압의 일예를 나타낸 그래프,
도 18b는 본 발명의 제2실시예에 따른 신호발생부에서 전압추적기로 입력되는 전압파형의 일예를 나타낸 그래프,
도 18c는 본 발명의 제2실시예에 따른 파워 오실레이터에서 출력되는 전압파형의 일예를 나타낸 그래프,
도 18d는 본 발명의 제2실시예에 따른 증폭부에 의해 증폭되어 액추에이터에 인가되는 입력전압파형의 일예를 나타낸 그래프를 도시한 것이다.
도 19는 본 발명의 제2실시예에 따른 전압추적기의 구성을 나타낸 블록도를 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.

<촉각피드백 생성장치 및 액추에이터의 구성>

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 촉각피드백 생성장치(1)의 구성 및 기능 그리고, 촉각피드백 생성장치(1)의 일구성인 진동과 마찰력을 제공하는 액추에이터(100)의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다.

먼저, 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 촉각피드백 생성장치(1)의 구성을 나타낸 블록도를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 촉각피드백 생성장치(1)는 힘센서부(200), 제어부(300), 액추에이터(100) 구동장치(400) 및 액추에이터 등을 포함하여 구성될 수 있다. 이러한 구성은 필수적인 것은 아니어서, 그보다 많은 구성요소들을 갖거나 그보다 적은 구성요소들을 갖는 촉각피드백 생성장치(1)가 구현될 수 있다.

힘센서부(200)는 사람의 손가락(12)이나 스타일러스(stylus)와 같은 소정의 객체의 터치 감지, 접촉힘을 감지하게 되며, 힘센서부(200)에서 터치 또는 접촉힘을 감지하게 되는 경우, 제어부(300)는 액추에이터 구동장치(400)를 구동시키기 위한 작동신호를 형성하여 액추에이터 구동장치(400)를 제어하게 된다. 힘센서부(200)는 터치 또는 접촉힘을 감지할 수 있는 접촉저항센서, 정전용량센서, 압전센서, 광센서 등으로 구성될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 액추에이터 구동장치(400)는 액추에이터를 구동시키기 위한 입력전압을 생성하며, 이러한 입력전압은 후에 설명되는 바와 같이, 고주파와 저주파를 갖는 입력전압파형에 해당한다.

본 발명의 일실시예에 따른 액추에이터는 액추에이터 구동장치(400)에 의해 생성된 입력전압을 인가받아, 객체의 터치에 대응하여 진동, 마찰력 등과 같은 촉각피드백을 출력하기 위한 기기이다.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 진동과 마찰력을 제공하는 액추에이터의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다. 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 진동과 마찰력을 제공하는 액추에이터의 평면도를 도시한 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 진동과 마찰력을 제공하는 액추에이터는 다수의 단위셀로 구성되어 질 수 있으며, 각각의 단위셀이 독립되어 구동될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 진동과 마찰력을 제공하는 액추에이터 단위셀의 평면도를 도시한 것이다. 그리고, 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 액추에이터 단위셀의 단면도를 도시한 것이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 진동과 마찰력을 제공하는 액추에이터는 상부필름(111), 도포층(130)(cover layer), 상부전극(121), 접착범프(140)(adhesive bump), 하부전극(123), 하부필름(112) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 단, 도 4에 도시된 구성요소들이 필수적인 것은 아니어서, 그보다 많은 구성요소들을 갖거나 그보다 적은 구성요소들을 갖는 액추에이터가 구현될 수도 있다.

필름(110)은 필름 재질 또는 유전체 물질 등으로 이루어질 수 있다. 상기 유전체 물질은 겔(gel), PDMS(polydimethylsiloxane), 실리콘, 폴리우레탄, 고분자 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

이러한 필름(110)은 전극(120)을 패터닝(patterning)하고 있으며, 상부필름(111) 및 하부필름(112) 등을 포함한다.

상부필름(111)의 상면에는 사람의 손가락(12)이나 스타일러스 등의 소정의 객체가 접촉하여 터치될 수 있으며, 상부필름(111)의 하면에는 복수의 상부전극(121)이 형성될 수 있다. 하부필름(112)의 상면에는 복수의 하부전극(123)이 형성되어 있다.

한편, 전극(120)은 전류를 도통시킬 수 있는 구성요소로서, 복수의 상부전극(121) 및 복수의 하부전극(123)은 구리(Cu) 또는 은(Ag)으로 이루어질 수 있다.

또한, 복수의 상부전극(121) 및 복수의 하부전극(123)은 투명한 소재로서, 인듐 주석 산화물(Induim Tin Oxide, ITO), 탄소 나노튜브(Carbon Nano Tube, CNT), 그래핀(Graphene), 금속 나노 와이어, 전도성 고분자(PEDOT, Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)) 또는 투명 전도성 산화물(TCO)로 이루어질 수도 있다.

한편, 도포층(130)은 도 4에 도시한 바와 같이 상부전극(121) 하단쪽에 배치될 수 있으며, 또는 하부간전극 상부측에 배치될 수도 있다. 소정의 객체가 상부필름(111)을 터치하여 힘을 가하는 경우, 상기 도포층(130)은 상부전극(121)과 하부전극(123)이 서로 맞닿게 되는 것을 방지하는 역할을 할 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상부전극(121)과 하부전극(123)은 소정간격 이격되어 배치되며, 상부전극(121)과 하부전극(123) 사이 중앙부에 접착범프(140)가 구비됨을 알 수 있다. 이러한 접착펌프는 상부전극(121)과 하부전극(123)을 접착시키면서 상부전극(121)과 하부전극(123) 사이에 발생되는 정전기력에 의한 진동을 접촉된 객체에 전달하여 촉각피드백을 제공하게 되다.

본 발명의 일실시예에 따른 액추에이터는 이러한 접착범프(140)를 구비하게 됨으로써, 상부전극(121)과 하부전극(123) 사이에 강성을 유지하면서 접촉된 객체에, 보다 큰 충격량을 제공할 수 있게 된다.

도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 액추에이터 단위셀의 단면도를 도시한 것이다. 본 발명의 제2실시예에 따른 액추에이터는 도 5에 도시된 바와 같이, 제1실시예와 비교하여 전극이 상부전극(121)과 중간전극(122) 및 하부전극(123)을 포함하여 구성되게 됨을 알 수 있다.

즉, 상부필름(111) 상면에 하부전극(123)이 배치되고, 하부전극(123)의 상면 중앙부에 접착범프(140)가 구비되며, 도포층(130) 내에 구비된 중간전극(122)이 접착범프(140)의 상부측에 배치되게 되다. 또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 중간전극(122) 상부로 상부필름(111)이 구비되며, 상부필름(111)의 상부측으로 상부전극(121)이 배치되게 됨을 알 수 있다.

이렇게 전극을 세 개를 사용함으로 인하여 전하(charge)가 더 많이 생기게 되며, 이에 따라 정전기력의 효과가 커지게 된다. 따라서, 본 발명의 제2실시예에서는 정전기력에 의해 발생한 마찰력과 진동의 촉각피드백이 더 커지는 효과가 발생되게 된다.

<액추에이터의 제조방법>

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 진동과 마찰력을 제공하는 액추에이터의 제조방법에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 진동과 마찰력을 제공하는 액추에이터 제조방법의 흐름도를 도시한 것이다.

먼저, 힘센서부(200)의 상면에 하부필름(112)을 부착하게 된다(S1). 그리고, 하부필름(112)의 상부면으로 하부전극(123)을 형성하게 된다(S2). 도 7a는 본 발명의 일실시예에 따른 하부필름(112) 상면에 하부전극(123)이 부착된 상태의 단면도를 도시한 것이다.

그리고, 하부전극(123)의 상면 중앙부에 접착범프(140)를 접착시키게 된다(S3). 도 7b는 본 발명의 일실시예에 따른 하부전극(123) 중앙부에 접착범프(140)가 부착된 상태의 단면도를 도시한 것이다. 이러한 접착범프(140)는 앞서 언급한 바와 같이, 중간전극(122)과 하부전극(123) 사이에 배치되게 되며, 접촉된 객체에 보다 큰 진동력을 제공해 줄 수 있게 된다.

그리고, 접착펌프의 상부로 중간전극(122)을 접착시키고(S4), 중간전극(122)의 상부측으로 상부필름(111)을 부착시키게 된다(S5). 도 7c는 본 발명의 일실시예에 따른 도포층(130)에 구비된 중간전극(122)과 상부필름(111)이 부착된 상태의 단면도를 도시한 것이다. 마지막으로 상부필름(111)의 상부면에 상부전극(121)을 배치시키게 된다(S6). 도 7d는 본 발명의 일실시예에 따른 상부필름(111) 상부에 상부전극(121)이 형성된 상태의 단면도를 도시한 것이다.

이때, 중간전극(122)의 하면 또는 하부전극(123)의 상부면에 도포층(130)을 형성시킬 수 있다. 또한, 상부필름(111) 상면에 상부전극(121)을 형성시키고, 상부필름(111)의 하면에 중간전극(122)을 형성시키고, 중간전극(122) 하부로 도포층(130)을 형성시킨 후에, 상부전극(121), 상부필름(111), 중간전극(122), 도포층(130)을 일체로 하여 접착범프(140) 상단에 접착시켜 제조할 수도 있다.

<촉각피드백 생성방법>

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 진동과 마찰력을 제공하는 액추에이터를 구비한 촉각피드백 생성장치(1)를 이용한 촉각피드백 생성방법에 대해 설명하도록 한다.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 촉각피드백 생성방법의 흐름도를 도시한 것이다. 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 촉각피드백의 개념을 설명하기 위한 도면을 도시한 것이다.

먼저, 도 9에 도시된 바와 같이, 손가락(12)이 액추에이터의 상부필름(111)에 접촉하여 터치 또는 접촉힘이 인가되면, 힘센서부(200)가 이러한 터치 또는 접촉힘을 감지하게 된다(S10, 20).

힘센서부(200)가 터치 또는 접촉힘을 감지하게 되면, 제어부(300)는 작동신호를 생성하여 액추에이터 구동장치(400)를 작동시켜(S30), 액추에이터의 상부전극(121), 중간전극(122), 하부전극(123) 중 적어도 하나에 고주파와 저주파를 갖는 입력전압파형을 입력시키게 된다. 구체적 실시예에서는 상부전극(121)과 하부전극(123)을 접지시키고, 중간전극(122)에 입력전압파형을 인가시킬 수도 있고, 다른 실시예에서는 상부전극(121)와 하부전극(123)에 -Vcc 입력전압파형을 인가시키고, 중간전극(122)에 +Vcc 입력전압파형을 인가시킬 수도 있다.

도 11a는 본 발명의 일실시예에 따른 상부전극(121)과 하부전극(123)이 접지되고, 중간전극(122)에 입력전압(Vcc)이 인가되는 상태의 액추에이터의 단면도를 도시한 것이고, 도 11b는 본 발명의 일실시예에 따른 상부전극(121)과 하부전극(123)에 입력전압(-Vcc)이 인가되고, 중간전극(122)에 입력전압(Vcc)이 인가되는 상태의 액추에이터의 단면도를 도시한 것이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 입력전압파형이 인가되게 되면, 상부필름(111)에 수직하는 방향의 진동이 발생되게 된다. 이는 상부전극(121) 및 중간전극(122) 중 적어도 어느 하나와 하부전극(123) 사이에 형성된 정전기력에 의하여 발생되는 촉각 피드백에 해당한다.

또한, 손가락(12)이 상부필름(111)을 접촉하여 움직이는 경우에는, 촉각피드백으로 상부필름(111)을 접촉하는 손가락(12)의 표면에 수평하는 방향의 마찰력이 발생되게 된다. 이는 상부전극(121) 및 중간전극(122) 중 적어도 하나와 손가락(12) 사이에 형성된 정전기력에 의하여 발생하는 촉각피드백에 해당한다.

이하에서는, 본 발명에 따른 촉각 피드백 생성 장치가 생성하는 촉각 피드백인 마찰력과 진동에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

우선, 도 10a 및 도 10b를 참조하여 본 발명의 촉각 피드백으로서 마찰력을 살펴본다.

도 10a 및 도 10b는 본 발명에 따라, 정전기력을 이용한 마찰력이 촉각 피드백으로 발생하는 개념을 나타낸다.

도 10a를 참조하면, 사용자는 손가락(12)을 이용하여 터치를 입력하고 있다. 이때, 손가락(12)의 상하로 누르는 힘보다 손가락(12)의 움직임에 의하여 발생되는 정전기력에 따른 마찰력이 가장 민감하게 변화될 수 있다.

사용자의 손가락(12)에 의한 누르는 힘을

라고 하고, 손가락(12)과 전극(200) 사이에 발생되는 정전기력을

라고 가정하자.

도 10b에 도시한 바와 같이, 손가락(12) 피부의 피하층은 비전도층(12a)과 전도층(12b)으로 도식화할 수 있다.

전극이 하나의 판을 형성하고, 손가락(12)의 전도층이 다른 하나의 판을 형성하므로, 이는 평행판 커패시터로 모델링 될 수 있다.

따라서, 전극에 교류전압을 인가하는 경우, 손가락(12)과 전극 사이에 하기의 수학식 1의 정전기력이 발생된다.

상기 수학식 1에서,

는 손가락(12)과 전극 사이의 정전기력이고,

는 진공의 유전율이며,

은 유전상수이고,

는 전극과 손가락(12)이 겹쳐지는 면의 넓이이며,

는 전극에 인가되는 전압이고,

는 전극과 손가락(12) 사이의 간격을 나타낸다.

전극에 인가되는 교류전압은 50 V ~ 5 kV의 범위를 가질 수 있고, 주파수는 10 Hz ~ 1 kHz의 범위를 가질 수 있으며, 파형은 후에 설명되는 바와 같이, 고주파와 저주파를 갖는 입력전압파형이 될 수 있다.

또한, 손가락(12)에 의한 누르는 힘

와 손가락(12)과 전극 사이에 발생되는 정전기력

에 의하여 발생하는 마찰력은 하기의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.

상기 수학식 2에서,

는 발생된 전체 마찰력을 의미하고,

는 마찰계수이며,

는 누르는 힘에 의하여 발생된 마찰력이고,

는 정전기력에 의하여 발생된 마찰력을 나타낸다.

여기서,

의 값은

의 값에 비하여 현저히 작으므로 무시될 수 있고, 결국 전체 마찰력은

에 의하여 결정된다.

따라서, 손가락(12)을 움직이는 경우, 손가락(12)과 전극 사이에 발생된 정전기력에 의하여 마찰력이 촉각 피드백으로 발생하게 된다. 또한, 앞서 설명한 바와 같이 상기 마찰력은 수평방향의 촉각 피드백에 해당한다.

또한, 앞서 설명한 바와 같이 진동은 수직방향의 촉각 피드백에 해당한다.

상기 진동의 촉각 피드백은 입력파형이 입력된 복수의 상부전극(121) 및 복수의 중간전극(122) 중 적어도 하나와 복수의 하부전극(123) 사이의 정전기력에 의하여 발생하며, 상기 형성된 정전기력은 하기의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.

상기 수학식 3에서,

는 복수의 상부전극(121) 및 복수의 중간전극(122) 중 적어도 하나와 복수의 하부전극(123) 사이의 정전기력이고,

는 진공의 유전율이며,

은 유전상수이고,

는 복수의 상부전극(121) 및 복수의 중간전극(122) 중 적어도 하나와 복수의 하부전극(123)이 겹쳐지는 면의 넓이이며,

는 전극에 인가되는 전압이고,

는 복수의 상부전극(121) 및 복수의 중간전극(122) 중 적어도 하나와 복수의 하부전극(123) 사이의 간격을 나타낸다.

<액추에이터 구동장치의 구성 및 입력전압파형 형성방법>

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 액추에이터 구동장치(400)의 구성 및 작동방법에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 입력전압파형 그래프를 도시한 것이다. 그리고, 도 13은 도 12의 확대도를 도시한 것이다. 또한, 도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 입력전압파형 그래프를 도시한 것이다.

도 12 내지 도 14에 도시된 바와 같이, 액추에이터의 상부전극(121), 중간전극(122) 및 하부전극(123) 중 적어도 어느 하나에 인가되는 입력전압파형은 시간에 따라 진폭이 달라지며 액추에이터의 공진주파수에 대응되는 1kHz ~ 100kHz의 고주파주파수를 갖게 됨을 알 수 있다. 또한, 액추에이터 구동장치(400)에 의해 생성되어 액추에이터로 인가되는 입력전압파형의 주파수인 1kHz ~ 100kHz는 사람이 촉각을 느낄수 없는 주파수 영역에 해당하나, 입력전압파형의 포락선(envelope)은 도 12의 점선으로 도시된 바와 같이, 상대적으로 저주파 파형을 갖게 되며, 이러한 저주파주파수 대역은 약 1 ~ 500Hz로 사람이 가장 잘 느낄 수 있는 주파수 대역을 가지게 된다.

즉, 입력전압파형의 주파수(고주파)는 액추에이터의 공진주파수에 대응되는 주파수(1kHz ~ 100kHz)를 갖게 되어 이러한 고주파수의 피크값을 변형시켜(진폭변조) 포락선이 사인파 형상을 갖도록 형성하게 된다. 따라서 사인파의 피크값을 사람의 손가락(12)이 가장 잘 느낄수 있는 주파수인 1Hz ~ 500Hz를 생성하게 된다. 따라서, 고주파수를 이용하여 액추에이터의 진동을 크게 하며, 시간에 따라 진폭을 변형시켜 포락선이 사인파 형상을 갖도록 하여 사람이 가장 잘 느낄 수 있도록 유도할 수 있게 된다.

이하에서는 이러한 입력전압파형을 생성할 수 있는 본 발명의 일실시예에 따른 액추에이터 구동장치(400)의 구성 및 작동방법에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 15는 본 발명의 제1실시예에 따른 액추에이터 구동장치(400)의 구성을 나타낸 블록도를 도시한 것이다.

도 15에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 액추에이터 구동장치(400)는 정전압인가부(410)(constant voltage power), 신호 생성부(PWM signal generation), 스위칭 파워 오실레이터(480), 스위칭부(440), 파워 오실레이터(460)(power ocillator), 증폭부(470)(transformer) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 도 15에 도시된 구성요소들이 필수적인 것은 아니어서, 그보다 많은 구성요소들을 갖거나 그보다 적은 구성요소들을 갖는 액추에이터 구동장치(400)가 구현될 수도 있다.

먼저, 힘센서부(200)에서 터치 또는 접촉힘을 감지하게 되면 제어부(300)에 의해 액추에이터 구동장치(400)가 작동되게 된다. 도 15에 도시된 바와 같이, 정전압인가부(410)는 정전압을 스위칭 파워 오실레이터(480)에 인가하게 됨을 알 수 있다. 도 16a는 본 발명의 제1실시예에 따른 정전압인가부(410)에서 출력되는 정전압의 일예를 나타낸 그래프를 도시한 것이다. 예를 들어 정전압인가부(410)에서는 도 16a에 도시된 바와 같이, 5V의 직류전압이 스위칭 파워오실레이터(480)에 인가될 수 있다. 스위칭 파워 오실레이터(480)는 도 15에 도시된 바와 같이, 스위칭부(440)와, 공진회로를 갖는 파워오실레이터(460)로 구성될 수 있음을 알 수 있다.

그리고, 본 발명의 제1실시예에 따른 신호생성기는 PWM 신호생성기로 구성될 수 있으며 주파수값과 진폭값을 입력받아 진동파형을 생성하게 된다. 도 16b는 본 발명의 제1실시예에 따른 스위칭부(440)가 off된 상태에서 공진회로가 구비된 스위칭 파워 오실레이터(480)에서 출력되는 전압파형의 일예를 나타낸 그래프를 도시한 것이다.

도 16b에 도시된 바와 같이, 스위칭부(440)가 off된 상태에서 공진회로가 구비된 스위칭 파워 오실레이터(480)에서 출력되는 전압파형은 액추에이터의 공진주파수에 대응되는 주파수를 갖고 시간에 따라 진폭은 변화되지 않는 형태의 파형을 갖게 됨을 알 수 있다. 이러한 형태의 전압파형의 주파수는 1kH ~ 100kH 정도에 해당한다.

도 16c는 본 발명의 제1실시예에 따라 스위칭부(440)가 작동되는 상태에서 공진회로가 구비된 스위칭 파워 오실레이터(480)에서 출력되는 전압파형의 일예를 나타낸 그래프를 도시한 것이다. 신호 발생부(420)에서 출력되는 전압파형을 인가받는 스위칭부(440)가 작동되어 on/off를 특정 주기로 지속적으로 교번하게 되면 도 16c와 같은 전압파형이 생성되게 된다.

즉, 도 16c에 도시된 바와 같이, 도 15에 도시된 스위칭부(440)와 공진회로가 구비된 파워 오실레이터(480)를 통해 액추에이터의 공진주파수에 대응되는 고주파수를 갖는 전압파형으로 출력되게 된다.

도 16c에 도시된 바와 같이, 스위칭 파워 오실레이터(480)에 의해 출력되는 전압파형의 주파수는 1kHz ~ 100kHz 정도의 고주파를 가지며 시간에 따라 진폭과 평균이 변화되는 형태를 갖게 됨을 알 수 있다. 각각의 진폭들을 연결한 포락선은 예를 들어 , 사각파, 삼각파, 사인파 등의 형태를 가지며 그 파형의 주파수는 상대적으로 저주파수이며 사람이 가장 잘 느낄 수 있는 1 ~ 500Hz정도의 주파수를 갖는다.

마지막으로 증폭기를 거치면서, 피크값이 약 1kV정도가 되도록 증폭시켜 액추에이터의 상부전극(121), 중간전극(122), 하부전극(123) 중 적어도 어느 하나에 인가되어 액추에이터가 구동되어 사용자에게 진동과 마찰력 촉각 피드백을 제공하게 된다. 도 16d는 본 발명의 제1실시예에 따른 증폭부(470)에 의해 증폭되어 액추에이터에 인가되는 입력전압파형의 일예를 나타낸 그래프를 도시한 것이다.

이하에서는 본 발명의 제2실시예에 따른 액추에이터 구동장치(400)의 구성 및 작동방법에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 17은 본 발명의 제2실시예에 따른 액추에이터 구동장치(400)의 구성을 나타낸 블록도를 도시한 것이다.

도 17에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 액추에이터 구동장치(400)는 정전압입가부, 신호발생부(420), 컨버터(430), 전압추적기(450), 파워오실레이터(460), 증폭부(470) 등을 포함하여 구성됨을 알 수 있다. 도 17에 도시된 구성요소들이 필수적인 것은 아니어서, 그보다 많은 구성요소들을 갖거나 그보다 적은 구성요소들을 갖는 액추에이터 구동장치(400)가 구현될 수도 있다.

본 발명의 제2실시예에 따른 액추에이터 구동장치(400)는 전압추적기(450)에 의해 발진기에 공급되는 전원 전압자체를 먼저 제어하게 됨으로써, 에너지 소모가 적고 효율적이며 고조파 잡음을 억제할 수 있게 된다. 또한, 힘센서부(200)에서 터치 또는 접촉힘이 감지되지 않은 상태에서 에너지를 차단할 수 있어 에너지 효율이 좋다는 장점을 갖는다.

먼저, 힘센서부(200)에서 터치 또는 접촉힘을 감지하게 되면 제어부(300)에 의해 액추에이터 구동장치(400)가 작동되게 된다. 도 17에 도시된 바와 같이, 정전압인가부(410)는 정전압을 파워 오실레이터(460)에 인가하게 됨을 알 수 있다. 도 18a는 본 발명의 제2실시예에 따른 정전압인가부(410)에서 출력되는 정전압의 일예를 나타낸 그래프를 도시한 것이다. 예를 들어 정전압인가부(410)에서는 도 18a에 도시된 바와 같이, 5V의 직류전압이 파워오실레이터(460)에 인가될 수 있다.

또한, 신호발생부(420)는 힘센서부(200)로부터 측정되어 제어부(300)로부터 전송되는 감지신호를 인가받게 되고, 진폭값과 주파수값을 기반으로 원하는 형태의 전압파형을 형성하게 된다. 이러한 신호발생부(420)로부터 출력되는 전압파형은 도 12에 도시된 액추에이터로 인가되는 입력전압파형의 포락선이 형성하는 사인파 곡선과 피크값은 상이하나 동일한 형상을 만들게 된다. 이러한 파형은 사인파 형태로 한정되는 것은 아니고, 사각파, 삼각파 등의 형태가 될 수 있다.

도 18b는 본 발명의 제2실시예에 따른 신호발생부(420)에서 전압추적기(450)로 입력되는 전압파형의 일예를 나타낸 그래프를 도시한 것이다. 도 18b에 도시된 바와 같이, 신호발생부(420)에서 출력되는 전압파형의 주파수는 액추에이터에 인가되는 입력전압파형의 저주파수(포락선의 주파수) 즉 약 1 ~ 500hz정도가 된다.

이러한 정전압인가부(410)에서 출력되는 정전압과 신호발생부(420)에서 출력되는 전압파형은 전압추적기(450)로 인가되게 되며, 전압추적기(450)에 의해 파워 오실레이터(460)와 증폭기에 공급되게 되는 에너지 자체를 먼저 제어하게 된다.

전압추적기(450)에서 출력되는 전압파형은 신호발생부(420)에서 출력되는 전압파형과 정전압인가부(410)에서 출력되는 전전압을 인가받아 에너지를 조절하여 에너지가 포함된 전압파형을 출력하게 된다. 즉, 전압추적기(450)로 인가되는 파형은 전류가 거의 포함되지 않아 에너지가 극히 작은 형태에 해당하나, 전압추적기(450)에서 전류가 인가되면서 에너지가 포함, 조절된 파형이 출력되게 된다.

도 19는 본 발명의 제2실시예에 따른 전압추적기(450)의 구성을 나타낸 블록도를 도시한 것이다. 도 19에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 전압추적기(450)는, 비교기(451, comparator), PWM 제어기(452, Pulse Width Modulation), 구동부(453, driver), 파워스위치(454, Power switches), 필터(455, Filter(Smoothing)), 피드백 감지부(456, sensing(Feedback)), 과전류 과전압 감지부(457, Protection) 등을 포함하여 구성될 수 있다.

도 19에 도시된 바와 같이, 파워 스위치(454)는, 특정주기로 on/off 작동되어 정전압인가부(410)에서 출력되는 파형을 스위칭하게 됨을 알 수 있다. 그리고, 필터(455)는 이러한 파워스위치(454)에서 출력되는 전압의 평균값을 취득하여 에너지가 포함된 전압파형을 파워 오실레이터(460)로 출력하게 된다. 또한, 구동부(453)는 파워스위치를 구동시키는 기능을 하고, PWM 제어기(452)는 구동부를 작동시키기 위한 구동제어신호를 형성하게 된다.

또한, 본 발명의 제2실시예에 따른 전압추적기(450)는 피드백 감지부(456)를 포함하여 필터(455)에서 출력된 전압파형을 감지하여 비교기(451)로 전송하게 된다. 비교기(451)는, 필터(455)에서 출력되는 에너지를 포함한 전압파형의 전압값과 컨버터(430)에서 출력되는 전압파형의 전압값을 비교하게 된다.

따라서, PWM 제어기(452)는 이러한 비교기(451)에서 비교한 값을 기반으로, 필터(455)에서 출력되는 전압파형의 전압이 컨버터(430)에서 출력되는 전압파형의 전압값과 동일하게 되도록 구동부(453)와 파워스위치(454)를 제어할 수 있는 구동제어신호를 형성하게 된다.

또한, 본 발명의 제2실시예에 따른 전압추적기(450)는 도 19에 도시된 바와 같이, 과전압 과전류 감지부(457)를 포함하여, 피드백 감지부(456)에서 감지한 필터(454)에서 출력된 에너지가 포함된 전압파형 및 파워 스위치(454)에서 출력되는 파형 중 적어도 어느 하나를 출력 받아 과전압, 과전류 여부를 감지하여 그 감지신호를 PWM 제어기(452)로 전송하여 과전압, 과전류에 따른 시스템의 손상을 보호할 수 있도록 구성될 수 있다.

그리고, 전압추적기(450)에서 출력된 파형은 도 17에 도시된 공진회로가 구비된 파워 오실레이터(460)를 통해 고주파수를 갖는 전압파형으로 출력되게 된다. 도 18c는 본 발명의 제2실시예에 따른 파워 오실레이터(460)에서 출력되는 전압파형의 일예를 나타낸 그래프를 도시한 것이다.

도 18c에 도시된 바와 같이, 파워 오실레이터(460)에 의해 출력되는 전압파형의 주파수는 1kHz ~ 100kHz 정도의 고주파를 가지며 시간에 따라 진폭이 변화되는 형태를 갖게 됨을 알 수 있다. 각각의 진폭들을 연결한 포락선은 사인파 형태를 가지며 그 파형의 형태는 전압추적기(450)에서 출력된 전압파형과 동일한 형태에 해당한다. 이러한 포락선의 형태는 사인파 형태로 한정되어지는 것은 아니고, 삼각파, 사각파 등의 형태가 될 수 있다.

마지막으로 증폭기를 거치면서, 피크값이 약 1kV정도가 되도록 증폭시켜 액추에이터의 상부전극(121), 중간전극(122), 하부전극(123) 중 적어도 어느 하나에 인가되어 액추에이터가 구동되어 사용자에게 진동과 마찰력 촉각 피드백을 제공하게 된다. 도 18d는 본 발명의 제2실시예에 따른 증폭부(470)에 의해 증폭되어 액추에이터에 인가되는 입력전압파형의 일예를 나타낸 그래프를 도시한 것이다.

이상에서 본 발명은 기재된 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연한것으로, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

1:촉각피드백 생성장치
12:손가락
12a:비전도층
12b:전도층
14:마찰력
16:진동
18:정전기력
100:액추에이터
110:필름
111:상부필름
112:하부필름
120:전극
121:상부전극
122:중간전극
123:하부전극
130:도포층
140:접착범프
200:힘센서부
300:제어부
400:액추에이터 구동장치
410:정전압인가부
420:신호발생부
430:컨버터
440:스위칭부
450:전압추적기
460:파워 오실레이터
470:증폭부
480:스위칭 파워 오실레이터

Claims

제1객체의 터치를 입력받고, 상기 제1객체에 촉각 피드백을 제공하기 위한 액추에이터에 있어서,
상면에 하부전극이 형성된 하부필름;
상기 하부필름과 특정간격 이격되며, 하면에 상부전극이 형성된 상부필름;
상기 상부전극과 하부전극 사이의 중앙부에 구비되는 접착범프;
상기 상부전극 또는 상기 하부전극에 입력전압파형을 인가하는 구동장치;를 포함하고,
상기 상부전극과 상기 하부전극 사이에 제1정전기력이 형성되고, 상기 상부전극과 상기 제 1 객체 사이에 제2정전기력이 형성되며,
상기 촉각 피드백은 상기 제 1 정전기력에 의하여 발생된 진동 및 상기 제 2 정전기력에 의하여 발생된 마찰력 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 마찰력과 진동을 제공하는 액추에이터.
제 1항에 있어서,
상기 제 1 정전기력은 하기의 수학식을 이용하여 결정되는 것을 특징으로 하는 마찰력과 진동을 제공하는 액추에이터:
수학식

여기서,
은 제 1 정전기력이고,
는 진공의 유전율이며,
은 유전상수이고,
는 상기 제 상부전극과 상기 하부전극이 겹쳐지는 면의 넓이이며,
는 상기 상부전극 및 상기 하부전극 중 적어도 어느 하나에 인가되는 전압이고,
은 상기 상부전극과 상기 하부전극 사이의 간격임.
제 1항에 있어서,
상기 제 1 객체가 상기 상부필름을 터치하며 움직이는 경우, 상기 마찰력이 발생되고,
상기 제 2 정전기력은 하기의 수학식 1을 이용하여 결정되고, 상기 마찰력은 하기의 수학식 2를 이용하여 결정되는 것을 특징으로 하는 마찰력과 진동을 제공하는 액추에이터:
수학식 1

여기서,
은 제 2 정전기력이고,
는 진공의 유전율이며,
은 유전상수이고,
는 상기 상부전극과 상기 제 1 객체가 겹쳐지는 면의 넓이이며,
는 상기 상부전극 및 상기 하부전극 중 적어도 어느 하나에 인가되는 전압이고,
은 상기 상부전극과 상기 제 1 객체 사이의 간격이고,
수학식 2

여기서,
는 마찰력이고,
는 마찰계수이며,
는 제 2 정전기력임.
제1객체의 터치를 입력받고, 상기 제1객체에 촉각 피드백을 제공하기 위한 액추에이터에 있어서,
상면에 하부전극이 형성된 하부필름;
상기 하부필름과 특정간격 이격되며, 하면에 중간전극이 형성된 상부필름;
상기 상부필름 상면에 형성되는 상부전극;
상기 중간전극와 하부전극 사이의 중앙부에 구비되는 접착범프;
상기 상부전극, 상기 중간전극 및 상기 하부전극에 입력전압파형을 인가하는 구동장치;를 포함하고,
상기 구동장치에 의해 입력전압파형을 상기 상부전극, 상기 중간전극 및 상기 하부전극 중 적어도 하나인 제 1 전극에 인가하는 경우, 제 1 정전기력 및 제 2 정전기력 중 적어도 하나가 형성되고,
상기 제 1 정전기력은 제 2 전극과 상기 하부전극 사이에 형성되고, 상기 제 2 정전기력은 상기 제 2 전극과 상기 제 1 객체 사이에 형성되며,
상기 제 2 전극은 상기 상부전극 및 상기 중간전극 중 적어도 하나이고,
상기 촉각 피드백은 상기 제 1 정전기력에 의하여 발생된 진동 및 상기 제 2 정전기력에 의하여 발생된 마찰력 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 마찰력과 진동을 제공하는 액추에이터.
제 4항에 있어서,
상기 제 1 정전기력은 하기의 수학식을 이용하여 결정되는 것을 특징으로 하는 마찰력과 진동을 제공하는 액추에이터:
수학식

여기서,
은 제 1 정전기력이고,
는 진공의 유전율이며,
은 유전상수이고,
는 상기 제 2 전극과 상기 하부전극이 겹쳐지는 면의 넓이이며,
는 상기 제 1 전극에 인가되는 전압이고,
은 상기 제 2 전극과 상기 하부전극 사이의 간격임.
제 4항에 있어서,
상기 제 1 객체가 상기 상부필름을 터치하며 움직이는 경우, 상기 마찰력이 발생되고,
상기 제 2 정전기력은 하기의 수학식 1을 이용하여 결정되고, 상기 마찰력은 하기의 수학식 2를 이용하여 결정되는 것을 특징으로 하는 마찰력과 진동을 제공하는 액추에이터:
수학식 1

여기서,
은 제 2 정전기력이고,
는 진공의 유전율이며,
은 유전상수이고,
는 상기 제 2 전극과 상기 제 1 객체가 겹쳐지는 면의 넓이이며,
는 상기 제 1 전극에 인가되는 전압이고,
은 상기 제 2 전극과 상기 제 1 객체 사이의 간격이고,
수학식 2

여기서,
는 마찰력이고,
는 마찰계수이며,
는 제 2 정전기력임.
제 1항 또는 제4항에 있어서,
상기 제1객체에 위한 터치 또는 접촉힘을 감지하는 힘센서부; 및
상기 힘센서부가 터치 또는 접촉힘을 감지한 경우, 상기 구동장치를 구동제어하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰력과 진동을 제공하는 액추에이터.
제 1항 또는 제 4항에 있어서,
상기 입력전압파형은,
제1주파수를 가지며, 시간에 따라 진폭과 평균이 변형되고,
각 주기의 피크값을 연결한 포락선은 제2주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 마찰력과 진동을 제공하는 액추에이터.
제 8항에 있어서,
상기 입력전압파형의 진폭은 60 ~ 6000V이고,
상기 제1주파수는 1kHz ~ 100kHz이고,
상기 제2주파수는 1Hz ~ 500Hz인 것을 특징으로 하는 마찰력과 진동을 제공하는 액추에이터.
제 8항에 있어서,
상기 제1주파수 또는 상기 제2주파수는 액추에이터의 공진주파수인 것을 특징으로 하는 마찰력과 진동을 제공하는 액추에이터.
제 1항 또는 제 4항에 있어서,
상기 입력전압파형은,
제1주파수를 가지며, 시간에 따라 진폭과 평균이 변형되고,
각 주기의 피크값을 연결한 포락선은 제2주파수를 갖고 이것을 통하여 마찰력과 진동을 제공하는 것을 특징으로 하는 마찰력과 진동을 제공하는 액추에이터.
제 1항에 있어서,
상기 상부전극 및 상기 하부전극 중 적어도 하나에 도포층(Cover Layer);을 형성하여 상기 상부전극과 하부전극의 접촉을 방지하는 것을 특징으로 하는 마찰력과 진동을 제공하는 액추에이터.
제 4항에 있어서,
상기 중간전극 및 상기 하부전극 중 적어도 하나에 도포층(Cover Layer);을 형성하여 상기 중간전극과 하부전극의 접촉을 방지하는 것을 특징으로 하는 마찰력과 진동을 제공하는 액추에이터.
제 1항에 있어서,
상기 상부전극에 상기 입력전압파형이 인가되고, 상기 하부전극은 접지연결되는 것을 특징으로 하는 마찰력과 진동을 제공하는 액추에이터.
제 4항에 있어서,
상기 중간전극에 상기 입력전압파형이 인가되고, 상기 상부전극과 상기 하부전극은 접지연결되는 것을 특징으로 하는 마찰력과 진동을 제공하는 액추에이터.
촉각피드백 생성장치에 있어서,
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 따른 액추에이터;
제 1객체의 터치 또는 접촉힘을 감지하는 힘센서부;
상기 액추에이터의 상부전극 및 하부전극 중 적어도 하나에 인가시키기 위한 입력전압파형을 형성하는 액추에이터 구동장치; 및
상기 힘센서부에서 터치 또는 접촉힘을 감지한 경우, 상기 상부전극 및 하부전극 중 적어도 하나에 상기 입력전압파형을 인가하도록 상기 액추에이터 구동장치를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각피드백 생성장치.
촉각피드백 생성장치에 있어서,
제 4항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 따른 액추에이터;
제 1객체의 터치 또는 접촉힘을 감지하는 힘센서부;
상기 액추에이터의 중간전극 및 하부전극 중 적어도 하나에 인가시키기 위한 입력전압파형을 형성하는 액추에이터 구동장치; 및
상기 힘센서부에서 터치 또는 접촉힘을 감지한 경우, 상기 중간전극 및 하부전극 중 적어도 하나에 상기 입력전압파형을 인가하도록 상기 액추에이터 구동장치를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각피드백 생성장치.
제 1항에 따른 마찰력과 진동을 제공하는 액추에이터를 이용한 촉각피드백 생성방법에 있어서,
제 1객체가 상부필름의 전체 영역 중 적어도 일부를 터치하는 단계;
힘센서부가 터치 또는 접촉힘을 감지하는 단계;
제어부가 액추에이터 구동장치를 작동시키고, 상기 구동장치가 입력전압파형을 생성하는 단계;
하부전극이 접지연결되고, 상기 입력전압파형이 액추에이터의 상부전극에 인가되는 단계;
상기 상부전극과 상기 하부전극 사이에 제1정전기력이 형성되고, 상기 상부전극과 상기 제1객체 사이에 제2정전기력이 형성되는 단계;
상기 제 1 정전기력에 의하여 발생된 진동 및 상기 제 2 정전기력에 의하여 발생된 마찰력 중 적어도 하나의 촉각 피드백이 발생하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각 피드백 생성방법.
제 4항에 따른 마찰력과 진동을 제공하는 액추에이터를 이용한 촉각피드백 생성방법에 있어서,
제 1객체가 상부필름의 전체 영역 중 적어도 일부를 터치하는 단계;
힘센서부가 터치 또는 접촉힘을 감지하는 단계;
제어부가 액추에이터 구동장치를 작동시키고, 상기 구동장치가 입력전압파형을 생성하는 단계;
상기 상부 전극과, 하부전극이 접지연결되고, 상기 입력전압파형이 액추에이터의 중간전극에 인가되는 단계;
상기 중간전극과 상기 하부전극 사이에 제1정전기력이 형성되고, 상기 상부전극 및 상기 중간전극 중 적어도 어느 하나와 상기 제1객체 사이에 제2정전기력이 형성되는 단계;
상기 제 1 정전기력에 의하여 발생된 진동 및 상기 제 2 정전기력에 의하여 발생된 마찰력 중 적어도 하나의 촉각 피드백이 발생하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각 피드백 생성방법.
제 1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 액추에이터를 제조하는 방법에 있어서,
하부필름 상면에 하부전극을 형성하는 단계;
상기 하부전극의 중앙부에 접착범프를 접착시키는 단계; 및
상부필름의 하면에 상부전극을 형성시키고, 상기 상부전극의 하면을 상기 접착범프의 상면에 접착시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰력과 진동을 제공하는 액추에이터의 제조방법.
제 20항에 있어서,
상기 상부전극 및 상기 하부전극 중 적어도 어느 하나에 도포층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰력과 진동을 제공하는 액추에이터의 제조방법.
제 4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 액추에이터를 제조하는 방법에 있어서,
하부필름 상면에 하부전극을 형성하는 단계;
상기 하부전극의 중앙부에 접착범프를 접착시키는 단계; 및
상부필름의 하면에 중간전극을 형성시키고, 상기 상부필름의 상면에 상부전극을 형성시키고, 상기 중간전극의 하면을 상기 접착범프의 상면에 접착시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰력과 진동을 제공하는 액추에이터의 제조방법.
제 22항에 있어서,
상기 중간전극 및 상기 하부전극 중 적어도 어느 하나에 도포층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰력과 진동을 제공하는 액추에이터의 제조방법.