KR102519018B1 - 햅틱 반응형 전장 스위치 - Google Patents

Abstract

사용자 터치 입력 시 진동을 발생시켜 사용자에게 전달하는 햅틱 반응형 전장 스위치가 개시된다. 본 발명에 따른 햅틱 반응형 전장 스위치는, 사용자 터치가 입력되는 터치영역을 갖는 플로팅 패널 및 플로팅 패널과 결합되는 홀더로 이루어진 가동부와, 기판 및 기판을 수용하며 적어도 둘 이상의 댐핑부재를 구비하는 케이스로 이루어진 고정부와, 홀더와 케이스 사이에 개재되어 가동부와 고정부를 상호 연결하는 진동 전달판과, 사용자 터치 입력에 따라 상기 홀더 및 홀더와 결합되는 진동 전달판을 수평방향으로 진동시키도록 작동되는 액추에이터를 포함하며, 댐핑부재는 단일화된 하나의 객체 형태로 케이스에 구성되며 일측 단부가 케이스의 상부로 돌출되고, 케이스의 상부로 돌출된 상기 댐핑부재에 의해 상기 가동부가 고정부로부터 임의 거리 플로팅된 상태로 지지되며, 액추에이터에 의한 홀더 및 진동 전달판의 수평방향 진동으로 댐핑부재가 변위되면서 수평방향 진동을 감쇄시키도록 구성되는 것을 요지로 한다.

Description

햅틱 반응형 전장 스위치{Haptic Reactive Electrical Switch}

본 발명은 사용자의 터치 입력을 통해 원하는 기능을 실행시키기 위한 명령을 출력할 수 있는 차량용 전장 스위치에 관한 것으로, 특히 사용자가 일정 이상의 힘으로 터치 입력 시 진동을 발생시켜 사용자의 손가락에 자극으로 전달하는 햅틱 반응형 전장 스위치에 관한 것이다.

차량에 적용되는 전장 스위치의 경우 최근, 물리적인 단순 조작(예컨대, 누름 조작이나 회전 조작 등)으로 기능 실행 명령을 입력시키는 아날로그 타입에서 벗어나, 해당 스위치의 기능에 관한 정보를 표시하면서 터치 입력을 통해 사용자가 원하는 기능을 선택하고 실행시킬 수 있는 디지털 타입으로 바뀌는 추세에 있다.

더욱이, 최근의 디지털 타입 전장 스위치의 경우 원하는 기능 실행을 위해 패널을 터치하면 사용자의 터치 입력에 대응하여 진동을 피드백(Haptic feedback) 함으로써 사용자가 자신의 터치 입력이 정확하게 이루어졌는지를 즉각적으로 인지할 수 있게 하는 햅틱 기능이 적용되고 있다. 이러한 햅틱 기능은 사용자의 터치에 진동으로서 반응하는 진동 피드백 수단에 의해 구현된다.

'햅틱'이란 물체를 만질 때 사용자의 핑커팁(손가락 끝 또는 스타일러스 펜)으로 느낄 수 있는 촉각적 감각을 의미한다. 이러한 햅틱 밥응을 구현하기 위한 진동 피드백 수단은, 패널에 표시된 버튼을 사용자가 만졌을 때 실제의 물체(실제의 버튼)를 만지는 것과 같은 응답성으로 동적 특성을 재생할 수 있는 것이 가장이 이상적이다.

때문에 진동 피드백 수단이 갖추어야 할 요건 중 가장 중요한 하나가 사용자가 패널(터치 패널)을 조작했을 때, 촉각을 통해 진동을 즉시 인지할 수 있을 정도의 충분한 진동력을 제공하는 것이다. 햅틱 기능을 구현하기 위해 전장 스위치에 적용되는 진동 피드백 수단으로써 회전형 진동 모터나 선형 진동 모터가 널리 채택되고 있다.

진동 피드백 수단은 일반적으로 터치 입력부, 예컨대 터치 패널의 내측의 보드(회로 기판)에 장착됨으로써 터치 패널로 덮여 보호된다. 종래 햅틱 반응형 전장 스위치 대부분은 진동 피드백 수단이 발생시킨 진동으로 상기 터치 입력부를 상하로 요동시킴으로써 사용자에게 촉각적 감각으로 피드백 하는 형태의 매커니즘을 갖는다.

그런데 상하 방향으로 터치 입력부를 요동시켜 촉각적 감각으로 피드백 하는 구성은, 사용자의 손가락으로 전달되는 진동력이 약하다는 문제가 있다. 특히 터치 입력부의 진동을 상하 방향으로 발생시키는 구성은, 터치 입력부의 면적이 클수록 터치 입력부 상에서 진동력이 약한 데드 존(dead zone)이 생기는 등 터치 위치에 따라 진동 편차가 크다는 문제가 있다.

용량이 큰 진동 피드백 수단을 적용함으로써 진동 편차 문제는 어느 정도 해소가 가능하다. 그러나 용량을 키울수록 진동 피드백 수단의 크기가 증가함에 따라 진동 피드백 수단을 내장하는 전장 스위치의 크기를 키워야만 하고, 특히 용량이 클수록 터치 입력에 대한 반응 속도가 떨어져, 진동 피드백을 통해 터치를 인식하는 시점과 터치 입력 시점 사이에 시간 차가 발생하는 문제가 있다.

한국등록특허 제10-1968944호(등록일 2019.04.09.)

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 터치 입력 또는 조작 범위가 넓은 대형패널에 햅틱 기능을 부가함에 있어 진동원으로부터의 거리에 상관 없이 패널 전면에 걸쳐 균일한 세기로 진동을 발생시켜 진동력이 약한 데드 존(dead zone) 발생 문제를 해소할 수 있는 햅틱 반응형 전장 스위치를 제공하고자 하는 것이다.

과제의 해결 수단으로서 본 발명에 따르면,

사용자의 터치가 입력되는 터치영역을 갖는 플로팅 패널 및 플로팅 패널과 결합되는 홀더로 이루어진 가동부;

기판 및 상기 기판을 수용하며 적어도 둘 이상의 댐핑부재를 구비하는 케이스로 이루어진 고정부;

상기 홀더와 케이스 사이에 개재되어 상기 가동부와 고정부를 상호 연결하는 진동 전달판; 및

상기 케이스의 내부에 설치되며 사용자 터치 입력에 따라 상기 홀더 및 홀더와 결합되는 진동 전달판을 수평방향으로 진동시키도록 작동되는 액추에이터;를 포함하며

상기 댐핑부재는 단일화된 하나의 객체 형태로 케이스에 구성되며 상단부가 상기 케이스의 상부로 돌출되고,

케이스의 상부로 돌출된 상기 댐핑부재에 의해 상기 가동부가 고정부로부터 임의 거리 플로팅된 상태로 지지되며,

상기 액추에이터에 의한 홀더 및 진동 전달판의 수평방향 진동으로 상기 댐핑부재가 변위되면서 수평방향 진동을 감쇄시키는 것을 특징으로 하는 햅틱 반응형 전장 스위치를 제공한다.

본 발명에 따른 햅틱 반응형 전장 스위치는 또한, 상기 터치영역을 통해 입력되는 사용자의 터치 입력의 세기를 검출하는 하중 검출부;를 더 포함할 수 있다.

여기서 상기 하중 검출부는 바람직하게, 상기 홀더의 저면에 일체로 형성되고 상기 케이스 내부의 상기 기판을 향해 연장되는 하중 검출막대와, 상기 하중 검출막대와 소정의 거리를 두고 대면하도록 상기 기판 상에 실장되는 비접촉식 거리센서로 이루어진 구성일 수 있다.

그리고 상기 액추에이터는, 상기 케이스에 고정되는 고정 측 보빈과, 상기 홀더에 고정되며 상기 고정 측 보빈과 대면하는 가동 측 요크로 구성되고, 상기 고정 측 보빈 가동 측 요크가 특정 갭만큼 서로 거리를 두고 이격되어 대면하는 구성일 수 있다.

또한 상기 진동 전달판은, 소정의 두께를 갖는 판상체이며, 상기 기판에 실장된 광원의 빛이 상기 플로팅 패널의 터치영역을 향하도록 통과시키는 일정 면적의 개구를 갖는 구성일 수 있다.

그리고 상기 댐핑부재는, 상기 케이스의 상판에서 기판을 향해 수직으로 하향 연장되는 고정편과, 상기 고정편과 거리를 두고 평행하게 배치되는 가동편과, 상기 가동편과 고정편의 하단부를 상호 연결하는 하단 브리지, 그리고 상기 가동편의 상단에서 상기 고정편과 멀어지는 방향으로 직각으로 절곡되어 수평방향으로 연장되는 연결 지지편으로 이루어진 구성일 수 있다.

이때 상기 댐핑부재는 케이스의 네 모서리 영역에 하나씩 배치될 수 있다.

바람직하게는, 댐핑부재 각각의 상기 연결 지지편을 관통하여 대응되는 상기 진동 전달판의 제1 체결지점에 체결되는 제1 체결부재를 통해 진동 전달판과 상기 고정부를 구성하는 케이스가 상호 연결되고,

상기 홀더를 관통하여 상기 제1 체결지점으로부터 이격된 제2 체결지점에 체결되는 제2 체결부재를 통해 진동 전달판과 상기 가동부를 구성하는 홀더가 상호 연결될 수 있다.

여기서, 상기 제2 체결지점은 진동 전달판의 각 모서리 영역에 근접하여 위치하는 상기 제1 체결지점 각각으로부터 진동 전달판의 세로 중심선을 향하여 동일한 거리만큼 떨어진 위치에 형성될 수 있다.

또한, 상기 고정부는 케이스와 결합하여 내부에 상기 기판이 실장되는 실장공간을 형성하는 하부 커버를 더 포함하며, 상기 기판은 케이스의 상판에서 일정 높이로 하향 돌출되는 기판 견인바에 부착되어 상기 실장공간에 부양된 상태로 실장될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 햅틱 반응형 전장 스위치에 의하면, 사용자 터치가 입력되는 플로팅 패널을 포함한 가동부를 케이스를 포함하는 고정부에 대해 수평방향으로 진동시킴으로써, 스위치 입력 또는 조작 범위가 넓은 대형 패널 형태로 플로팅 패널을 구성하더라도 영역별 편차 없는 균일한 스위치 조작감을 사용자에게 피드백 할 수 있다.

또한, 수평방향의 진동 피드백 전달 시 고정부와 가동부 간 직접 간섭되는 부분이 없어 노이즈 없는 보다 명확한 스위치 조작감을 사용자에게 제공할 수 있으며, 터치 입력 시 하중 검출막대와 센서 사이의 거리 변화로부터 비접촉 방식으로 입력되는 하중의 정도를 환산하여 액추에이터의 작동을 제어함으로써, 의도하지 않은 터치로 인한 오작동을 방지할 수 있다.

또한, 가동부와 고정부 사이에서 진동 전달 매개로서 기능하는 진동 전달판에 의하여, 진동 발생수단인 액추에이터 주변은 물론 액추에이터에서 가장 먼 곳의 터치 영역까지 진동 손실을 최소화하여 전달할 수 있으며, 이에 따라 종래 상하 진동 방식의 햅틱 장치에서 발생하는 데드 존(dead zone) 문제를 보다 명확하게 해소할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 햅틱 반응형 전장 스위치를 분해 도시한 분해 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 분해 상태 햅틱 반응형 전장 스위치를 정면에서 바라본 도면.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 햅틱 반응형 전장 스위치의 결합 상태를 도시한 결합 사시도.
도 4는 도 3에 도시된 햅틱 반응형 전장 스위치를 A-A선 방향에서 바라본 절단면도.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 햅틱 반응형 전장 스위치를 평면에서 바라본 도면.
도 6은 도 4의 'D' 부분을 확대 도시한 도면.
도 7은 도 3에 도시된 햅틱 반응형 전장 스위치를 B-B선 방향에서 바라본 절단면도.
도 8의 (a)는 진동 전달판을 평면에서 바라본 도면이며, 도 8의 (b)는 터치 입력 시 진동 전달판의 변위 상태를 나타내는 측면도.
도 9의 (a)는 액추에이터가 실장된 부분을 확대 도시한 본 발명의 요부 확대 단면도이며, 도 9의 (b)는 액추에이터의 개략적인 모습을 도시한 사시도.
도 10은 본 발명의 작동 상태도로서, 액추에이터 작동 시 댐핑 부재 작동 상태를 나타내는 도면.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 자세히 살펴보기로 한다.

명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.

본 명세서에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

더하여, 명세서에 기재된 "…부", "…유닛", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일한 구성 요소에 대해서는 동일도면 참조부호를 부여하기로 하며 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 햅틱 반응형 전장 스위치를 분해 도시한 분해 사시도이며, 도 2는 도 1에 도시된 분해 상태 햅틱 반응형 전장 스위치를 정면에서 바라본 도면이다. 그리고 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 햅틱 반응형 전장 스위치의 결합 상태를 도시한 결합 사시도이며, 도 4는 도 3에 도시된 햅틱 반응형 전장 스위치를 A-A선 방향에서 바라본 절단면도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 햅틱 반응형 전장 스위치는 크게, 가동부(10)와 고정부(30)로 구성된다. 여기서 가동부(10)와 고정부(30)는 서로 상대적인 개념으로서, 고정부(30)는 상기 가동부(10)에 대해 고정되는 부분을 의미하고, 상기 가동부(10)는 고정자에 대해서 진동하는 부분을 의미하는 것으로 이해함이 바람직하다.

가동부(10)는 플로팅 패널(12)과 홀더(16)를 포함한다. 플로팅 패널(12)은 사용자의 터치가 입력되는 터치영역(120)을 갖고, 홀더(16)는 상기 플로팅 패널(12)의 하부에서 플로팅 패널(12)과 결합된다. 플로팅 패널(12)과 홀더(16)는 각각의 테두리와 둘레면에 서로 매칭되도록 형성되는 돌기와 홀(또는 홀과 돌기, 부호 생략)에 의해 상호 결합될 수 있으며, 이들 사이에는 사용자의 터치를 인식하는 터치필름(14)이 개재된다.

플로팅 패널(12)의 상기 터치영역(120)은 후술할 기판(32) 상의 광원(33)이 빛을 투과시켜 외부로 발산시킬 수 있는 투명 또는 반투명한 강화유리나 합성수지로 구성될 수 있으며, 터치필름(14)은 상기 터치영역(120)에 대응되는 크기로 제작되며 별도의 접착필름을 통해 상기 플로팅 패널(12)의 이면에서 상기 터치영역(120)을 통한 사용자의 터치 입력을 인식하도록 부착될 수 있다.

홀더(16)에는 적어도 하나 이상의 전방 광투과홀(160)이 형성된다. 전방 광투과홀(160)은 사용자가 터치 버튼의 기능을 직관적으로 인식하도록 특정 도형이나 문자, 부호, 로고 등 다양한 심벌 형태로 형성될 수 있다. 전방 광투과홀(160)을 기판(32)에 실장된 광원(33)의 빛이 투과하여 플로팅 패널(12)의 이면에서 조사됨으로써, 터치영역(120)에 2차원 평면 디자인 형태의 특정 심벌 모양으로 버튼이 생성된다.

터치필름(14)은 터치영역(120)에 생성되는 특정 심벌 모양의 버튼을 사용자가 터치했을 때 그 터치를 인식하고 상응하는 신호를 발생시킨다. 그리고 발생시킨 신호를 기판(32) 상의 제어 소자(부호 생략)에 전달한다. 터치필름(14)이 출력한 신호로부터 제어 소자가 터치가 인식된 위치의 좌표 값을 추출하며 해당 좌표 값에 대응하여 미리 설정된 기능 실행 명령을 출력한다.

고정부(30)는 기판(32) 및 기판(32)을 수용하는 케이스(34)를 포함한다. 기판(32)에는 제어소자를 비롯해 광원(33)과 센서 등이 실장되고, 실장된 구성품 간 유기적인 신호전달을 위한 회로패턴을 갖는 구성일 수 있으며, 케이스(34)는 하부가 개구되고 내부에 수용공간 형성된 박스형 구조체로서, 케이스(34)의 상부로 돌출되는 적어도 둘 이상의 댐핑부재(35)를 구비한다.

하부가 개방된 상기 케이스(34)의 하부에서 하부 커버(36) 결합됨으로써, 케이스(34)와 함께 상기 기판(32)을 외부 환경으로부터 안전하게 보호할 수 있는 폐쇄된 실장공간을 형성시키며, 기판(32)은 케이스(34)의 상판에서 일정 높이로 하향 돌출되는 기판 견인바(37)에 나사못(부호 생략)과 같은 체결부재로 부착되어 상기 실장공간에 부양된 상태로 실장될 수 있다.

도면(도 1)의 예시와 같이, 케이스(34)에는 하나 이상의 후방 광투과홀(340)이 형성된다. 후방 광투과홀(340)은 전술한 전방 광투과홀(160)들에 정확히 대응되는 모양과 형상으로 형성될 수 있으며, 이러한 후방 광투과홀(340)과 전방 광투과홀(160)을 기판(32) 상의 광원(33)의 빛이 차례로 투과하여 플로팅 패널(12)의 이면에서 조사됨으로써 특정 심벌 모양(광 투과홀에 대응되는 모양)의 버튼이 생성될 수 있다.

가동부(10)와 고정부(30)는 그 사이에 개재되는 진동 전달판(20)을 통해 상호 연결된다. 좀 더 구체적으로, 홀더(16)와 케이스(34) 사이에 상기 진동 전달판(20)이 개재되어 상기 가동부(10)와 고정부(30)를 상호 연결한다. 진동 전달판(20)은 소정의 두께를 갖는 판상체로서, 기판(32)에 실장된 광원(33)의 빛이 상기 플로팅 패널(12)의 터치영역(120)을 향하도록 통과시키는 일정 면적의 개구(22)를 갖는 구성일 수 있다.

진동 전달판(20)에 형성되는 개구(22)는 전체적으로 하나의 대면적 개구이거나, 도면(도 1 및 후술하게 될 도 8의 (a) 참조)의 예시와 같이, 보강 브리지(24)를 통해 둘 이상 복수로 분할된 구성일 수 있다. 이때 보강 브리지(24) 및 진동 전달판(20)의 테두리 일측에는 제품 조립 시 후술하게 될 하중 검출막대(42)가 관통하는 구멍(25)이 상기 하중 검출막대(42)와 대응되는 위치에 형성될 수 있다.

진동 전달판(20)은 상기 케이스(34)에 단일화된 하나의 객체 형태로 구성되는 댐핑부재(35)의 상단부에 일부가 고정되고 다른 일부는 상기 홀더(16)에 고정된다. 케이스(34)에 구성된 댐핑부재(35)의 상단부는 상기 케이스(34)의 상부로 돌출됨으로써, 진동 전달판(20)을 통해 고정부(30)와 연결되는 가동부(10)는 상기 댐핑부재(35)에 의해 고정부(30)와 거리를 두고 플로팅된 상태로 지지된다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 햅틱 반응형 전장 스위치를 평면에서 바라본 도면으로서, 고정부와 진동 전달판을 연결하는 상기 댐핑부재가 형성된 위치를 보여주기 위한 도면이며, 도 6은 도 4의 'D' 부분을 확대 도시한 본 발명의 요부 확대도로서, 상기 댐핑부재의 단면 확대도이다.

댐핑부재(35)는 도 5 및 앞선 도 1과 같이, 케이스(34)의 네 모서리 영역에 하나씩 배치될 수 있으나 댐핑부재(35)의 개수나 위치는 도면과 같은 개수나 위치로 특별히 한정되는 것은 아니며, 도면에는 도시하지 않았으나 4개소에 형성되는 댐핑부재(35)에 더하여, 진동 전달판(20)과 케이스(34) 사이에는 스프링이나 고무와 같은 다른 댐핑수단이 추가로 구성될 수도 있다.

댐핑부재(35)는 바람직하게, 도 6에 도시된 바와 같이, 케이스(34)에 연결되는 고정편(350) 및 이와 평행한 가동편(354), 고정편(350)과 가동편(354)을 연결하는 하단 브리지(352) 및 가동편(354)의 상단에 구성되는 연결 지지편(356)을 포함하는 구성일 수 있다.

고정편(350)은 케이스(34)의 상판에서 기판(32)을 향해 수직으로 하향 연장되며, 가동편(354)은 고정편(350)과 임의 거리를 두고 평행하게 배치된다. 그리고 하단 브리지(352)는 상기 가동편(354)과 고정편(350)의 하단부를 상호 연결하는 연결부재로서 기능하며, 연결 지지편(356)은 상기 가동편(354)의 상단에서 상기 고정편(350)과 멀어지는 방향으로 직각으로 절곡되어 수평방향으로 연장된다.

도 7은 도 3에 도시된 햅틱 반응형 전장 스위치를 B-B선 방향에서 바라본 절단면도이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 햅틱 반응형 전장 스위치는 또한, 하나 이상의 하중 검출부(40)를 포함한다. 하중 검출부(40)는 플로팅 패널(12)의 터치영역(120)을 통해 입력되는 사용자의 터치 입력의 세기를 검출하고 검출된 정보를 제어 소자(미도시)에 전달한다. 이때 제어 소자는 터치 입력 세기에 관한 정보를 바탕으로 후술할 액추에이터(50)의 작동 여부를 결정할 수 있다.

하중 검출부(40)는 바람직하게, 서로 간격을 두고 대향 배치되는 하중 검출막대(42)와 센서(44)로 구성될 수 있다. 하중 검출막대(42)는 홀더(16)의 저면에 일체로 형성되어 상기 케이스(34) 내부의 상기 기판(32)을 향해 연장되는 구성일 수 있으며, 센서는 하중 검출막대(42)와 소정의 거리를 두고 대면하도록 상기 기판(32) 상에 실장되는 비접촉식 거리센서(44)일 수 있다.

플로팅 패널(12)의 임의 터치 영역에 터치가 입력되어 플로팅 패널(12)을 누르는 방향으로 하중이 가해지면, 플로팅 패널(12)과 결합된 홀더(16) 및 홀더(16)에 형성된 상기 하중 검출막대(42)가 미소 거리 아래로 이동된다. 이때 거리센서(44)가 검출하는 하중 검출막대(42)와 사이의 거리(d) 변화가 일정 값 이상이면, 제어 소자가 정상적인 터치로 인식해 후술하는 액추에이터(50)에 작동 신호를 인가할 수 있다.

즉 플로팅 패널(12)의 임의 터치 영역에 터치가 입력되어 플로팅 패널(12)에 누르는 힘이 가해졌을 때, 제어 소자는 그 힘의 크기에 따라 달라지는 하중 검출막대(42)와 거리센서(44) 사이의 거리 정보로부터 플로팅 패널(12)을 통해 입력된 터치가 사용자가 의도한 정상적인 터치인지 판단하고, 정상적인 터치로 인식되면 액추에이터(50)를 작동시켜 진동이 발생되도록 하는 것이다.

도 8의 (a)는 진동 전달판을 평면에서 바라본 도면이며, 도 8의 (b)는 터치 입력 시 진동 전달판의 변위 상태를 나타내는 측면도로서, 도면의 ①번 위치가 케이스에 일체형으로 구성된 댐핑부재에 진동 전달판이 연결되는 지점을 가리키며, ②번 위치가 홀더와 진동 전달판이 연결되는 지점을 나타낸다.

도 8과 앞선 도 4 및 도 6을 함께 참조하면, 진동 전달판(20)은 제1 체결부재(B1)를 통해 고정부(30)에 연결된다. 제1 체결부재(B1)는 구체적으로, 각각의 댐핑부재(35)에 구성된 연결 지지편(356)을 하부에서 관통하여 대응되는 위치의 제1 체결지점(도면의 ①번 위치에 해당)에 체결되며, 이에 따라 제1 체결부재(B1)를 통해 진동 전달판(20)과 상기 고정부(30)를 구성하는 케이스(34)가 상호 연결될 수 있다.

진동 전달판(20)은 또한, 고정부(30)로부터 임의 거리 플로팅된 상기 가동부(10)와는 제2 체결부재(B2)를 통해 연결된다. 제2 체결부재(B2)는 구체적으로, 가동부(10)를 구성하는 상기 홀더(16)를 상부에서 관통하여 상기 제1 체결지점(①)으로부터 이격된 제2 체결지점(도면의 ②번 위치에 해당)에 체결되며, 이에 따라 제2 체결부재(B2)를 통해 진동 전달판(20)과 상기 가동부(10)를 구성하는 홀더(16)가 상호 연결될 수 있다.

여기서, 제1 체결지점(①)은 케이스(34)에 구성되는 상기 댐핑부재(35)의 연결 지지편(356)에 대응되는 위치이므로, 진동 전달판(20)의 각 모서리 영역에 근접하는 위치할 수 있으며, 제2 체결지점(②)은 진동 전달판(20)의 각 모서리 영역에 근접하여 위치하는 상기 제1 체결지점(①) 각각으로부터 진동 전달판(20)의 세로 중심선(CL)을 향하여 동일한 거리만큼 떨어진 위치일 수 있다.

플로팅 패널(12)의 임의 터치 영역에 터치가 입력되면, 그 힘에 의해 상기 진동 전달판(20)이 제1 체결지점(①)을 받침점으로 하여 아래로 휨변형(Bending deflection, 도 8 (b)의 파선 참조)되며, 홀더(16)에 형성된 하중 검출막대(42)는 비접촉식 거리센서(44) 방향으로 이동된다. 이때 터치 입력의 세기에 따라 진동 전달판(20)이 휘는 정도 및 하중 검출막대(42)와 비접촉식 거리센서(44) 사이의 거리가 달라진다.

사용자 터치 입력 시 제1 체결지점(①)과 제2 체결지점(②) 사이의 구간에서 실질적으로 진동 전달판(20)에 변위가 발생한다. 제1 체결지점(①)에서 사용자 터치가 입력에 대항하는 방향으로 진동 전달판(20)을 댐핑부재(35)가 아래에서 떠받치고 있고, 제2 체결지점(②)에서 사용자 터치가 입력되는 방향과 같은 방향으로 진동 전달판(20)을 홀더(16)가 위에서 붙잡고 있기 때문이다.

제1 체결지점(①)과 제2 체결지점(②) 사이의 거리(실질적으로 휨변형이 발생되는 휨 구간의 폭, D)에 따라서도 진동 전달판(20)의 변위량(휘는 정도)은 달라질 수 있다. 좀 더 구체적으로, 휨 구간의 폭(D)이 커지면 같은 세기의 터치 입력이라도 진동 전달판(20)의 휨이 크게 발생하고, 반대로 휨 구간의 폭(D)이 작아지면 같은 세기의 터치 입력에도 진동 전달판(20)의 휨은 작게 발생한다.

같은 세기의 터치 입력이라도 상기 휨 구간의 폭(D)에 따라 진동 전달판(20)의 휘는 정도가 달라지면, 하중 검출막대(42)의 수직방향 이동 거리도 그에 비례하여 커지거나 작아져, 결국 같은 세기의 터치 입력이라도 정상적인 터치로 인식해 액추에이터(50)가 작동되거나 그렇지 않을 수 있다. 이는 다시 말해 상기 휨 구간의 폭을 조절하여 작동 감도를 조절할 수 있음을 의미한다.

예를 들어, 휨 구간의 폭(D)이 특정 폭인 경우 플로팅 패널(12)의 터치 영역을 터치하여 정상적인 터치로 인식할 수 있을 만큼 진동 전달판(20)을 변위시키는데 소요된 힘이 '1N'이라고 가정했을 때, 휨 구간의 폭(D)을 상기 특정 폭보다 크게할 경우 상기 '1N'보다 작은 힘으로도 정상적인 터치로 인식할 수 있을 만큼 진동 전달판(20)을 변위시킬 수 있다.

이처럼 본 발명은 휨 구간의 폭(D)을 설계 단계에서 적절히 조절함으로써 작동 감도를 상대적으로 둔감하게 하거나 반대로 민감하게 할 수 있다. 따라서 제1 체결지점(①)과 제2 체결지점(②) 사이의 거리, 즉 상기 휨 구간의 폭(D)은 특정 폭으로 국한되는 것은 아니며, 수요 측 요청이나 전장 스위치의 요구 사양에 따라 다양한 폭으로 설계될 수 있음을 밝혀둔다.

앞선 도 1 및 도 2에서 도면부호 50이 지칭하는 구성요소가 진동 발생요소인 액추에이터를 가리킨다. 액추에이터(50)는 사용자 터치가 정상적인 터치로 인식된 때 상기 제어 소자의 통제로 진동을 발생시켜 홀더(16) 및 홀더(16)와 결합되는 진동 전달판(20)을 수평방향으로 진동시킴으로써, 사용자 손가락에 햅틱 자극으로 피드백한다.

도 9의 (a)는 액추에이터가 실장된 부분을 확대 도시한 본 발명의 요부 확대 단면도이며, 도 9의 (b)는 액추에이터의 개략적인 모습을 도시한 사시도이다.

도 9를 참조하면, 본 발명에 적용된 액추에이터(50)는 고정 측 보빈(52)과 가동 측 요크(54)로 구성될 수 있다. 고정 측 보빈(52)은 케이스(34)에 고정되며, 기판(32)과 전기적으로 연결되는 코일(53)을 실장 또는 코일(53)에 둘러싸인 구성일 수 있다. 그리고 가동 측 요크(54)는 자성체로서 고정 측 보빈(52)과 특정 갭(g)만큼 서로 거리를 두고 이격되어 대면하도록 홀더(16)에 고정될 수 있다.

제어 소자의 통제로 사익 코일(53)에 전류가 인가되고, 코일(53)에 인가된 전류에 의해 상기 고정 측 보빈(52)이 자화된다. 이로 인해 고정 측 보빈(52)과 가동 측 요크(54) 사이의 상호 작용으로 흡인력이 발생해 가동 측 요크(54)가 고정 측 보빈(52) 방향으로 이동되며, 홀더(16) 및 홀더(16)에 연결된 진동 전달판(20) 역시 도 9 (a)와 같이 화살표 방향으로 움직인다.

이에 따라 진동 전달판(20)과 연결된 댐핑부재(35)의 가동편(354)에 동일한 방향으로 힘이 가해지게 되고, 이로 인해 작동 상태를 나타내는 도 10의 (b)와 같이 상기 가동편(354)이 수평방향으로 일정 거리 변위된다. 참고로, 도 10의 (a)는 사용자 터치 입력이 없는 상태, 즉 액추에이터(50)에 전류가 인가되기 전 댐핑부재(35)의 초기 상태를 나타내는 도면이다.

이후 제어 소자의 통제로 액추에이터(50)에 인가되었던 전류가 차단되면, 댐핑부재 자체의 탄성 복원력 및 관성에 의해 도 10의 (c)와 같이 전류가 인가되었을 때 변위 방향과는 반대 방향으로 변위된다. 이때 도 10의 (b)와 (c)와 같은 상태를 반복하면서 가동부(10)를 수평방향으로 진동시키게 되고, 그 과정 중 운동에너지가 점차 감쇄되면서 도 10의 (d)와 같이 초기 상태로 복귀하게 된다.

이상에서 본 발명의 설명함에 있어서는 바람직한 일례로 진동 전달판(34)이 홀더(16)와 독립적으로 구성되어 별도의 체결부재(B2)를 통해 상기 홀더(16)에 부착되는 구성을 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 진동 전달판(34)을 홀더(16)에 인서트(Insert)시켜 홀더와 하나의 객체 형태로 구성하더라도 위에서 설명한 동일한 작용, 효과가 발휘될 수 있으므로, 그러한 변형 역시 본 발명의 범주에 포함될 수 있음을 밝혀 둔다.

상하 방향으로 터치 입력부를 요동시켜 촉각적 감각으로 피드백 하는 종래의 일반적인 햅틱 장치는, 사용자의 손가락으로 전달되는 진동력이 약하다는 문제가 있으며, 특히나 터치 입력부의 면적이 클수록 터치 입력부 상에서 진동력이 약한 데드 존(dead zone)이 생기는 등 터치 위치에 따라 진동 편차가 크다는 문제가 있다.

용량이 큰 진동 피드백 수단을 적용함으로써 진동 편차 문제는 어느 정도 해소가 가능하지만, 용량을 키울수록 진동 피드백 수단의 크기가 증가함에 따라 진동 피드백 수단을 내장하는 전장 스위치의 크기를 키워야만 하고, 특히 용량이 클수록 터치 입력에 대한 반응 속도가 떨어져, 진동 피드백을 통해 터치를 인식하는 시점과 터치 입력 시점 사이에 시간 차가 발생하는 문제가 있다.

반면, 본 발명의 실시 예에 따른 햅틱 반응형 전장 스위치에 의하면, 사용자 터치가 입력되는 플로팅 패널을 포함한 가동부를 케이스를 포함하는 고정부에 대해 수평방향으로 진동시킴으로써, 스위치 입력 또는 조작 범위가 넓은 대형 패널 형태로 플로팅 패널을 구성하더라도 영역별 편차 없는 균일한 스위치 조작감을 사용자에게 피드백 할 수 있다.

또한, 수평방향의 진동 피드백 전달 시 고정부와 가동부 간 직접 간섭되는 부분이 없어 노이즈 없는 보다 명확한 스위치 조작감을 사용자에게 제공할 수 있으며, 터치 입력 시 하중 검출막대와 센서 사이의 거리 변화로부터 비접촉 방식으로 입력되는 하중의 정도를 환산하여 액추에이터의 작동을 제어함으로써, 의도하지 않은 터치로 인한 오작동을 방지할 수 있다.

또한, 가동부와 고정부 사이에서 진동 전달 매개로서 기능하는 진동 전달판에 의하여, 진동 발생수단인 액추에이터 주변은 물론 액추에이터에서 가장 먼 곳의 터치 영역까지 진동 손실을 최소화하여 전달할 수 있으며, 이에 따라 종래 상하 진동 방식의 햅틱 장치에서 발생하는 데드 존(dead zone) 문제를 보다 명확하게 해소할 수 있다.

이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

10 : 가동부 12 : 플로팅 패널
14 : 터치필름 16 : 홀더
20 : 진동 전달판 22 : 개구
24 : 보강 브리지 30 : 고정부
32 : 기판 33 : 광원
34 : 케이스 35 : 댐핑부재
36 : 하부 커버 37 : 견인바
40 : 하중 검출부 42 : 하중 검출막대
44 : 거리센서 50 : 액추에이터
52 : 보빈 53 : 코일
54 : 요크 120 : 터치영역
160 : 전방 광 투과홀 340 : 후방 광 투과홀
350 : 고정편 352 : 하단 브리지
354 : 가동편 356 : 연결 지지편
B1 : 제1 체결부재(댐핑부재와 진동 전달판 연결하는 체결부재)
B2 : 제2 체결부재(홀더와 진동 전달판 연결하는 체결부재)
D : 진동 전달판 휨 구간의 폭

Claims (10)

1. 사용자의 터치가 입력되는 터치영역을 갖는 플로팅 패널 및 플로팅 패널과 결합되는 홀더로 이루어진 가동부;
   기판 및 상기 기판을 수용하며 적어도 둘 이상의 댐핑부재를 구비하는 케이스로 이루어진 고정부;
   상기 홀더와 케이스 사이에 개재되어 상기 가동부와 고정부를 상호 연결하는 진동 전달판; 및
   상기 케이스의 내부에 설치되며 사용자 터치 입력에 따라 상기 홀더 및 홀더와 결합되는 진동 전달판을 수평방향으로 진동시키도록 작동되는 액추에이터;를 포함하며,
   상기 댐핑부재는 단일화된 하나의 객체 형태로 케이스에 구성되며 상단부가 상기 케이스의 상부로 돌출되고,
   케이스의 상부로 돌출된 상기 댐핑부재에 의해 상기 가동부의 상기 홀더가 고정부로부터 임의 거리 플로팅된 상태로 지지되며,
   상기 가동부의 상기 홀더의 하면과 상기 댐핑부재는 상기 진동 전달판을 개재하여 고정되고,
   상기 액추에이터에 의한 홀더 및 진동 전달판의 수평방향 진동으로 상기 댐핑부재가 변위되면서 수평방향 진동을 감쇄시키는 것을 특징으로 하는 햅틱 반응형 전장 스위치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 터치영역을 통해 입력되는 사용자의 터치 입력의 세기를 검출하는 하중 검출부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 햅틱 반응형 전장 스위치.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 하중 검출부는,
   상기 홀더의 저면에 일체로 형성되고 상기 케이스 내부의 상기 기판을 향해 연장되는 하중 검출막대와,
   상기 하중 검출막대와 소정의 거리를 두고 대면하도록 상기 기판 상에 실장되는 비접촉식 거리센서로 이루어지는 것을 특징으로 하는 햅틱 반응형 전장 스위치.
   
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 액추에이터는,
   상기 케이스에 고정되는 고정 측 보빈과,
   상기 홀더에 고정되며 상기 고정 측 보빈과 대면하는 가동 측 요크로 구성되고,
   상기 고정 측 보빈과 가동 측 요크가 특정 갭만큼 서로 거리를 두고 이격되어 대면하는 것을 특징으로 하는 햅틱 반응형 전장 스위치.
   
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 진동 전달판은,
   소정의 두께를 갖는 판상체이며, 상기 기판에 실장된 광원의 빛이 상기 플로팅 패널의 터치영역을 향하도록 통과시키는 일정 면적의 개구를 갖는 것을 특징으로 하는 햅틱 반응형 전장 스위치.
   
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 댐핑부재는,
   상기 케이스의 상판에서 기판을 향해 수직으로 하향 연장되는 고정편과,
   상기 고정편과 거리를 두고 평행하게 배치되는 가동편과,
   상기 가동편과 고정편의 하단부를 상호 연결하는 하단 브리지, 그리고
   상기 가동편의 상단에서 상기 고정편과 멀어지는 방향으로 직각으로 절곡되어 수평방향으로 연장되는 연결 지지편으로 구성되는 것을 특징으로 하는 햅틱 반응형 전장 스위치.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 댐핑부재가 케이스의 네 모서리 영역에 하나씩 배치되는 것을 특징으로 하는 햅틱 반응형 전장 스위치.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   댐핑부재 각각의 상기 연결 지지편을 관통하여 대응되는 상기 진동 전달판의 제1 체결지점에 체결되는 제1 체결부재를 통해 진동 전달판과 상기 고정부를 구성하는 케이스가 상호 연결되고,
   상기 홀더를 관통하여 상기 제1 체결지점으로부터 이격된 제2 체결지점에 체결되는 제2 체결부재를 통해 진동 전달판과 상기 가동부를 구성하는 홀더가 상호 연결되는 것을 특징으로 하는 햅틱 반응형 전장 스위치.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 제2 체결지점은 진동 전달판의 각 모서리 영역에 근접하여 위치하는 상기 제1 체결지점 각각으로부터 진동 전달판의 세로 중심선을 향하여 동일한 거리만큼 떨어진 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 햅틱 반응형 전장 스위치.
   
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정부는 케이스와 결합하여 내부에 상기 기판이 실장되는 실장공간을 형성하는 하부 커버를 더 포함하며,
    상기 기판은 케이스의 상판에서 일정 높이로 하향 돌출되는 기판 견인바에 부착되어 상기 실장공간에 부양된 상태로 실장되는 것을 특징으로 하는 햅틱 반응형 전장 스위치.
    
    

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