KR102232892B1 - 유전 탄성체 기반 햅틱 액추에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유전 탄성체 기반 햅틱 액추에이터는, 유전 탄성체, 상기 유전 탄성체의 내부에 배열되는 복수의 가로전극쌍, 및 상기 복수의 가로전극쌍 사이에 배치되는 복수의 세로전극쌍을 포함한다.

Description

유전 탄성체 기반 햅틱 액추에이터{HAPTIC ACTUATOR BASED ON DIELECTRIC ELASTOMER}

본 발명은 햅틱 액추에이터에 관한 것으로, 일례로 유전 탄성체 기반 햅틱 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.

햅틱을 이용한 햅틱장치는 가상의 물체(윈도우 화면의 버튼 표시 등)를 사람이 만졌을 때, 실제의 물체(실제의 버튼)을 만지는 것과 같은 응답성으로 동적 특성(버튼을 누를 때 손가락으로 전달되는 진동, 촉감과 동작음 등)을 재생할 수 있는 것이 가장 이상적이라 할 수 있다. 이러한 햅틱장치의 성능 향상을 위하여 지금까지는 모터와 링크 메카니즘을 이용한 메카트로닉스 장비 등이 사용되었다.

최근에는 휴대단말(휴대폰, PDA, 노트북, PMP, MP3 플레이어, 전자사전 등)에서 햅틱 효과를 제공하거나 로봇의 액츄에이터로 사용하거나, 촉감전달장치로 사용하거나 댐퍼로 사용하는 등 응용분야가 점차 확대되어가는 추세이다.

대한민국 등록특허 제10-1466226호

이에 본 발명은 상기한 사정을 감안하여 안출된 것으로, 진동, 맥놀이 진동, 마찰력 변화, 요철 촉감 등의 복합 감각을 사용자가 느낄 수 있도록 햅틱 피드백을 제공하는 유전 탄성체 기반 햅틱 액추에이터를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유전 탄성체 기반 햅틱 액추에이터는, 유전 탄성체; 상기 유전 탄성체의 내부에 배열되는 복수의 가로전극쌍; 및 상기 복수의 가로전극쌍 사이에 배치되는 복수의 세로전극쌍;을 포함한다.

상기 가로전극쌍은, 제1 가로전극과, 상기 제1 가로전극을 마주보면서 이격 배치되는 제2 가로전극을 포함하고, 상기 제1 가로전극과 상기 제2 가로전극은, 상기 유전 탄성체의 일면과 평행하게 배치될 수 있다.

상기 세로전극쌍은, 제1 세로전극과, 상기 제1 세로전극을 마주보면서 이격 배치되는 제2 세로전극을 포함하고, 상기 제1 세로전극과 상기 제2 세로전극은, 상기 유전 탄성체의 일면과 수직하게 배치될 수 있다.

상기 유전 탄성체는, 상기 가로전극쌍과 상기 세로전극쌍의 배치 영역을 구획하도록 일면에 구획홈이 형성될 수 있다.

상기 가로전극쌍에 교류전압을 제공하여 상기 유전 탄성체의 진동을 구현하는 전원부를 더 포함할 수 있다.

상기 전원부는 상기 가로전극쌍 중에서 적어도 하나에 제1 교류전압을 제공하는 제1 교류전압 제공부와, 상기 제1 교류전압이 제공되지 않는 적어도 하나의 가로전극쌍에 제2 교류전압을 제공하는 제2 교류전압 제공부를 포함하고, 상기 제1 교류전압과 상기 제2 교류전압은 서로 다른 주파수를 가질 수 있다.

상기 유전 탄성체는, 상기 제1 교류전압이 인가되는 가로전극쌍과 상기 제2 교류전압이 인가되는 가로전극쌍에 의해 맥놀이 진동이 발생할 수 있다.

특정극성패턴을 가지도록 상기 가로전극쌍과 상기 세로전극쌍에 직류전압이 인가되면, 상기 유전 탄성체의 일면에 정전기적 인력이 발생할 수 있따.

상기 세로전극쌍에 직류전압이 인가되면, 상기 직류전압이 인가된 세로전극쌍 사이에 정전기적 인력이 발생하여 상기 유전 탄성체가 세로방향으로 변형할 수 있다.

따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유전 탄성체 기반 햅틱 액추에이터에 의하면, 사용자가 진동, 맥놀이 진동, 마찰력 변화, 요철 촉감 등의 복합 감각을 느끼도록 햅틱 피드백을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유전 탄성체 기반 햅틱 액추에이터의 투시 사시도이다.
도 2는 도 1의 A-A’선에 따른 단면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유전 탄성체 기반 햅틱 액추에이터의 진동 발생을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유전 탄성체 기반 햅틱 액추에이터의 맥놀이 진동 발생을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유전 탄성체 기반 햅틱 액추에이터의 마찰력 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유전 탄성체 기반 햅틱 액추에이터의 요철 발생을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유전 탄성체 기반 햅틱 액추에이터의 투시 사시도이다. 도 2는 도 1의 A-A’선에 따른 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 햅틱 액추에이터(100)는 사용자에게 진동, 맥놀이 진동, 마찰력 변화, 요철 촉감 등의 복합 감각을 피드백 제공하기 위한 것으로서, 유전 탄성체(110), 복수의 가로전극쌍(120), 및 복수의 세로전극쌍(130)을 포함한다.

유전 탄성체(110)는 소정 두께와 면적을 가지며 사각 형태로 형성될 수 있다. 유전 탄성체(100)는 폴리우레탄(polyurethane), 실리콘 고무 등의 재질로 이루어질 수 있다. 유전 탄성체(100)는 형상 변형 및 복원이 자유롭게 이루어질 수 있다. 유전 탄성체(100)는 투명한 재질로 이루어질 수 있다.

유전 탄성체(100)는 상부면에 구획홈(G)이 복수 형성된다. 구획홈(G)은 가로전극쌍(120)과 세로전극쌍(130)의 배치 영역을 구획할 수 있다. 구획홈(G)은 소정 깊이를 가지도록 형성된다. 구획홈(G)의 적어도 일부는 세로전극쌍(130)의 상단부에서 측방향으로 이격된 영역에 형성될 수 있다. 구획홈(G)은 후술할 세로전극쌍(130)에 의한 유전 탄성체(110)의 변형시, 유전 탄성체(110)의 세로 방향 변형이 더욱 용이하게 이루어지도록 한다.

복수의 가로전극쌍(120)은 서로 일정 간격을 가지도록 유전 탄성체(110)의 내부에 배열된다. 복수의 가로전극쌍(120) 각각은, 제1 가로전극(121)과 제2 가로전극(123)을 포함한다.

제1 가로전극(121)은 유전 탄성체(110)의 하부에 배치된다. 제2 가로전극(123)은 유전 탄성체(110)의 상부에 배치된다. 제2 가로전극(123)은 제1 가로전극(121)을 마주보면서 소정 간격 이격되게 배치된다. 제1 가로전극(121)과 제2 가로전극(123) 각각은 판 형태로 구성될 수 있다. 제1 가로전극(121)과 제2 가로전극(123) 각각은 유연한 소재의 전극일 수 있으며, 더 나아가 유연한 투명 전극 형태일 수 있다. 제1 가로전극(121)과 제2 가로전극(123)은 유전 탄성체(110)의 상부면과 평행하게 배치되는 것이 바람직하다. 이는 가로전극쌍(120)에 외부 전압이 인가될 때, 제1 가로전극(121)과 제2 가로전극(123) 사이에 균일한 정전기적 인력이 발생하도록 한다.

복수의 세로전극쌍(130)은 복수의 가로전극쌍(120) 사이에 배치된다. 복수의 세로전극쌍(130) 각각은 제1 세로전극(131)과 제2 세로전극(133)을 포함한다.

제1 세로전극(131)은 가로전극쌍(120) 측방에 배치된다. 제2 세로전극(133)은 제1 세로전극(131)을 마주보면서 이격 배치된다. 제1 세로전극(131)과 제2 세로전극(133) 각각은 판 형태로 구성될 수 있다. 제1 세로전극(131)과 제2 세로전극(133) 각각은 유연한 소재의 전극일 수 있으며, 더 나아가 유연한 투명 전극 형태일 수 있다. 제1 세로전극(131)과 제2 세로전극(133)은 유전 탄성체(110)의 상부면과 수직하게 배치되는 것이 바람직하다. 이는 세로전극쌍(130)에 외부 전압이 인가될 때, 제1 세로전극(131)과 제2 세로전극(133) 사이에 균일한 정전기적 인력이 발생하도록 한다.

상술한 바와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유전 탄성체 기반 햅틱 액추에이터(100)는, 외부 전압 인가 여부에 따라 진동, 맥놀이 진동, 마찰력 변화, 요철 촉감 등의 복합 감각을 발생하여 사용자에게 제공할 수 있다. 여기서, 복합 감각 발생 관련한 실시예는 도 3 내지 도 6을 통해 후술한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유전 탄성체 기반 햅틱 액추에이터의 진동 발생을 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참고하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유전 탄성체 기반 햅틱 액추에이터(100)는, 교류전압을 발생하는 전원부(200)를 더 포함할 수 있다.

전원부(200)는 복수의 가로전극쌍(120)에 개별적으로 연결될 수 있다. 전원부(200)는 교류전압을 발생하여 복수의 가로전극쌍(120) 각각에 제공할 수 있다.

제1 가로전극(121)과 제2 가로전극(123)은 교류전압이 인가되면, 교류전압의 진행 방향에 따라 양극성과 음극성을 번갈아가며 띠게 된다. 이때 제1 가로전극(121)과 제2 가로전극(123) 사이에는 세기가 가변되는 정전기적 인력이 발생하게 된다. 제1 가로전극(121)과 제2 가로전극(123)는 정전기적 인력에 의해 서로 밀고 끌어 당기는 것을 반복 수행하게 된다. 유전 탄성체(110)는 제1 가로전극(121)과 제2 가로전극(123)의 움직임에 의해 형상 변형과 복원이 반복적으로 일어나게 되며, 이를 통해 미세 진동이 발생하게 된다. 사용자는 교류전압이 인가되는 국소적 영역의 유전 탄성체(110)를 터치하는 경우 진동을 느낄 수 있다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유전 탄성체 기반 햅틱 액추에이터의 맥놀이 진동 발생을 설명하기 위한 도면이다.

도 4를 참고하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유전 탄성체 기반 햅틱 액추에이터(100)의 전원부(200)는 제1 교류전압 제공부(210)와, 제2 교류전압 제공부(220)를 포함할 수 있다.

예컨대, 제1 교류전압 제공부(210)는 복수의 가로전극쌍(120) 중에서 제1 가로전극쌍(120a)에 연결될 수 있다. 제2 교류전압 제공부(220)는 복수의 가로전극쌍(120) 중에서 제2 가로전극쌍(120b)에 연결될 수 있다. 여기서, 제1 가로전극쌍(120a)과 제2 가로전극쌍(120b)은 하나의 세로전극쌍(130)을 사이에 두고 배치된다.

제1 교류전압 제공부(210)는 제1 교류전압을 발생하여 제1 가로전극쌍(120a)에 제공할 수 있다. 제2 교류전압 제공부(220)는 제2 교류전압을 발생하여 제2 가로전극쌍(120b)에 제공할 수 있다. 여기서, 제1 교류전압과 제2 교류전압은 서로 다른 주파수 값을 가질 수 있다. 예컨대, 제1 교류전압은 100Hz의 주파수를 가질 수 있고, 제2 교류전압은 105Hz를 가질 수 있다.

제1 가로전극쌍(120a) 주변의 유전 탄성체(110)에는 제1 진동(b1)이 발생하게 되고, 제2 가로전극쌍(120b) 주변의 유전 탄성체(110)에는 제2 진동(b2)이 발생하게 된다. 제1 진동(b1)과 제2 진동(b2)는 서로 다른 진동 간격을 가지며, 이를 통해 맥놀이 진동을 구현할 수 있다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유전 탄성체 기반 햅틱 액추에이터의 마찰력 변화를 설명하기 위한 도면이다.

도 5를 참고하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유전 탄성체 기반 햅틱 액추에이터(100)에 특정극성패턴이 구현되는 것을 확인할 수 있다. 햅틱 액추에이터(100)는 특정극성패턴을 구현하게 되면 강한 정전기적 인력을 발생할 수 있다. 이하, 특정극성패턴을 구현하는 방법에 대해 예를 들어 설명한다.

일 실시예에 있어서, 제1 가로전극쌍(120a)의 제1 가로전극(121)에 양극성을 띠도록 전압을 인가하고, 제1 가로전극쌍(120a)의 제2 가로전극(123)에 음극성을 띠도록 전압을 인가한다.

또한, 제2 가로전극쌍(120b)의 제1 가로전극(121)에 음극성을 띠도록 전압을 인가하고, 제2 가로전극쌍(120b)의 제2 가로전극(123)에 양극성을 띠도록 전압을 인가한다.

또한, 제1 세로전극쌍(130a)의 제1 세로전극(131)에 양극성을 띠도록 전압을 인가하고, 제1 세로전극쌍(130a)의 제2 세로전극(133)에 음극성을 띠도록 전압을 인가한다.

또한, 제2 세로전극쌍(130b)의 제1 세로전극(131)에 음극성을 띠도록 전압을 인가하고, 제2 세로전극쌍(130b)의 제2 세로전극(133)에 양극성을 띠도록 전압을 인가한다.

또한, 제3 세로전극쌍(130c)의 제1 세로전극(131)에 양극성을 띠도록 전압을 인가하고, 제3 세로전극쌍(130c)의 제2 세로전극(133)에 음극성을 띠도록 전압을 인가한다.

상술한 방식에 따라 특정극성패턴을 구현하도록 직류 전압을 인가하게 되면, 유전 탄성체(110)의 아랫면에 비해 윗면에 더 많은 전기장이 형성되고, 이를 통해 사람의 손가락과 유전 탄성체 윗면 간에 강한 정전기적 인력이 발생하게 된다. 사용자는 발생된 강한 정전기적 인력에 의해 마찰력 변화를 느낄 수 있다.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유전 탄성체 기반 햅틱 액추에이터의 요철 발생을 설명하기 위한 도면이다.

도 6을 참고하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유전 탄성체 기반 햅틱 액추에이터(100)에 요철 구조가 구현되는 것을 확인할 수 있다. 햅틱 액추에이터(100)는 요철 구조가 구현되면, 사용자에게 미세 재질감의 변화를 제공할 수 있다. 이하, 요철 구조를 구현하는 방법에 대해 예를 들어 설명한다.

일 실시예에 있어서, 제2, 제3 세로전극쌍(130b, 130c) 각각에 매우 강한 전기장을 인가하면, 전기장이 인가된 제1, 제2 전극(131, 133)사이에서 정전기적 인력이 발생하고, 이를 통해 제1, 제2 전극(131, 133) 사이에 존재하는 유전 탄성체(110)가 수축하면서 상면방향으로 늘어난다. 이때, 유전 탄성체(110)는 제2, 제3 세로전극쌍(130b, 130c) 각각의 양측에 존재하는 구획홈(G)에 의해 상면에서 변형이 더 쉽게 발생한다. 이를 통해, 제2 세로전극쌍(130b)이 위치하는 유전 탄성체(110)의 표면에는 제1 돌출부(111a)가 형성되고, 제3 세로전극쌍(130c)이 위치하는 유전 탄성체(110)의 표면에는 제2 돌출부(111b)가 형성될 수 있다. 또한, 전압이 인가되지 않은 복수의 가로전극쌍(120)이 위치하는 유전 탄성체(110)의 표면에는 평탄부(113)가 형성될 수 있다. 제1, 2 돌출부(111a, 111b)와 평탄부(113)는 요철 구조를 구현할 수 있다. 사용자는 유전 탄성체(110)의 표면에 생긴 요철로 인해 미세 재질감의 변화를 느낄 수 있다.

상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유전 탄성체 기반 햅틱 액추에이터(100)는 스마트폰이나 태블릿 PC와 같은 모바일 장치, 사용자 착용형 장치, 차량용 디스플레이 등과 같은 다양한 장치에 사용될 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.

100: 햅틱 액추에이터
110: 유전 탄성체
111a, 111b: 제1 돌출부, 제2 돌출부
113: 평탄부
G: 구획홈
120: 가로전극쌍
121: 제1 가로전극
123: 제2 가로전극
130: 세로전극쌍
131: 제1 세로전극
133: 제2 세로전극
200: 전원부
210: 제1 교류전압 제공부
220: 제2 교류전압 제공부

Claims (9)

1. 유전 탄성체;
   상기 유전 탄성체의 내부에 배열되는 복수의 가로전극쌍; 및
   상기 복수의 가로전극쌍 사이에 배치되는 복수의 세로전극쌍;
   을 포함하고,
   상기 유전 탄성체는, 서로 다른 교류전압이 인가되는 상기 복수의 가로전극쌍에 의해 맥놀이 진동이 발생하는 것을 특징으로 하는 유전 탄성체 기반 햅틱 액추에이터.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 가로전극쌍은, 제1 가로전극과, 상기 제1 가로전극을 마주보면서 이격 배치되는 제2 가로전극을 포함하고,
   상기 제1 가로전극과 상기 제2 가로전극은, 상기 유전 탄성체의 일면과 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는 유전 탄성체 기반 햅틱 액추에이터.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 세로전극쌍은, 제1 세로전극과, 상기 제1 세로전극을 마주보면서 이격 배치되는 제2 세로전극을 포함하고,
   상기 제1 세로전극과 상기 제2 세로전극은, 상기 유전 탄성체의 일면과 수직하게 배치되는 것을 특징으로 하는 유전 탄성체 기반 햅틱 액추에이터.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 유전 탄성체는,
   상기 가로전극쌍과 상기 세로전극쌍의 배치 영역을 구획하도록 일면에 구획홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 유전 탄성체 기반 햅틱 액추에이터.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 가로전극쌍에 교류전압을 제공하여 상기 유전 탄성체의 진동을 구현하는 전원부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유전 탄성체 기반 햅틱 액추에이터.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 전원부는
   상기 가로전극쌍 중에서 적어도 하나에 제1 교류전압을 제공하는 제1 교류전압 제공부와,
   상기 제1 교류전압이 제공되지 않는 적어도 하나의 가로전극쌍에 제2 교류전압을 제공하는 제2 교류전압 제공부를 포함하고,
   상기 제1 교류전압과 상기 제2 교류전압은 서로 다른 주파수를 가지는 것을 특징으로 하는 유전 탄성체 기반 햅틱 액추에이터.
7. 삭제
8. 제 1 항에 있어서,
   특정극성패턴을 가지도록 상기 가로전극쌍과 상기 세로전극쌍에 직류전압이 인가되면, 상기 유전 탄성체의 일면에 정전기적 인력이 발생하는 것을 특징으로 하는 유전 탄성체 기반 햅틱 액추에이터.
9. 제 4 항에 있어서,
   상기 세로전극쌍에 직류전압이 인가되면, 상기 직류전압이 인가된 세로전극쌍 사이에 정전기적 인력이 발생하여 상기 유전 탄성체가 세로방향으로 변형하는 것을 특징으로 하는 유전 탄성체 기반 햅틱 액추에이터.

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