KR20050012802A - 촉각 디바이스 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기 전도 유체(3, 4)를 포함하는 다수의 유체 요소(1)를 구비한 촉각 디바이스에 관한 것이다. 각 요소에서의 유체 레벨은 상기 유체 요소에 전기력을 인가하는 엑츄에이터 수단(V, 6)에 의해 이동가능하다. 각 유체 요소는 일단부에서, 사용자에 의한 유체 레벨의 인식을 위해 유체와 접촉하는 촉각 요소(7)를 구비한다. 유체 요소는, 유체 레벨이 전기-모세관 압력의 결과로서 이동가능한 모세관 튜브(2)를 포함한다.

Description

촉각 디바이스{TACTILE DEVICE}

일반적으로, 촉각 디바이스는 사용자의 감촉을 활성화함으로써 정보를 전달하도록 배열된다. 여러 유형의 촉각 디바이스가 사실상 알려져 있다. 예를 들어, 한 가지 유형의 촉각 디바이스는 조이스틱, 마우스, 제어 패드 등에서 피드백 힘(force-feedback)을 제공하거나, 또는 이동 전화를 진동시키도록 배열된다. 다른 유형의 촉각 디바이스는 예를 들어 더 복잡한 정보를 전달하기 위해 점자 독서기(braille reading machine)에 적용된다.

전술한 유형의 디바이스는 GB 2 212 336으로부터 알려져 있다. 알려진 디바이스는 액정으로 채워진 다수의 유체 챔버를 포함한다. 각 챔버는 맥스웰-패러데이 효과를 이용하여 유체 레벨을 변화시키기 위해 전계를 유체에 인가하기 위한 전극의 역할을 하는 한 쌍의 슬리브를 포함한다. 유체 상에서 부유하는 피스톤 핀은 유체 레벨을 나타내는 필러(feeler)의 역할을 한다. 알려진 디바이스는 점자 독서기의 부분을 형성한다.

알려진 디바이스는 많은 전력을 소비하는 단점을 갖는다. 더욱이, 이동가능한 기계 핀은 잡음이 있는 것으로 나타난다. 실제로, 알려진 디바이스는 고비용과 함께 신뢰성의 부족을 보여준다.

본 발명은 전기 전도 유체를 포함하는 다수의 유체 요소와, 전기력을 상기 유체 요소에 인가함으로써 다수의 선택된 유체 요소의 유체 레벨을 이동시키는 엑츄에이터 수단을 구비한 촉각 디바이스에 관한 것으로, 각 요소에서의 유체 레벨은 이동가능하고, 여기서 각 유체 요소에는 사용자에 의한 유체 레벨 인식을 위해 유체와 접촉하는 촉각 요소가 제공된다.

도 1은 제 1 상태에서 본 발명에 따른 디바이스의 부분으로서 유체 요소의 바람직한 실시예를 도시한 개략도.

도 2는 제 2 상태에서 도 1의 유체 요소를 도시한 개략도.

도 3은 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 디바이스를 도시한 개략도.

본 발명의 목적은 이러한 문제를 해결하는 전술한 유형의 디바이스를 제공하는 것이다.

그러므로, 본 발명에 따른 디바이스는, 유체 요소가, 유체 레벨이 전자-모세관 압력의 결과로 이동가능한 모세관 튜브를 포함하는 것을 특징으로 한다.

전자-모세관 압력을 이용한 모세관 튜브의 응용은, 유체 레벨이 최소량의 전력으로 충분히 변경되도록 한다. 본 발명에 따른 디바이스는 응용에 따라 필요한 만큼의 유체 요소를 포함할 수 있고, 여전히 동적이고 쉽게 프로그래밍될 수 있다. 유체 요소의 크기가 작게 유지될 수 있기 때문에, 총 100×100 셀은 손바닥에 맞춰질 수 있어서, 손바닥에 초점을 맞출 수 있다.

본 발명에 따른 촉각 디바이스의 제 1 바람직한 실시예에서, 엑츄에이터 수단은, 유체 레벨이 새로운 위치로 변경될 때 미리 결정된 시간 기간 동안 촉각 요소를 진동시키도록 배열된다. 사용자의 감촉은 이를 통해 자연적으로 활성화되어, 사용자로의 정보 전달 품질을 향상시킨다.

추가로 바람직한 실시예에 따라, 촉각 요소는 유연한 물질로 된 격막(diaphragm)을 포함한다. 격막은 빠르고 조용하게 이동될 수 있어서, 불필요한 잡음 없이 신뢰성있고 빠른 정보 전달을 허용한다.

격막에는 사용자의 감촉을 향상시키기 위해 적어도 하나의 접촉점(contact spot)이 제공되는 것이 바람직하다.

다른 바람직한 실시예에서, 하나 이상의 모세관 튜브에는 대향 단부에서 유연한 물질로 된 추가 격막이 제공된다. 모세관 튜브는 이제 분리되어, 크로스토크를 효과적으로 피하게 된다.

또 다른 바람직한 실시예에서, 엑츄에이터 수단은 미리 결정된 압축 응력(prestressed) 레벨에서 선택된 다수의 모세관 튜브의 유체 레벨을 설정하도록 배열되고, 촉각 디바이스는 선택된 모세관 튜브에서 유체 레벨의 변화를 검출하도록 배열되는 검출기 수단을 더 포함한다. 이러한 실시예에서, 촉각 디바이스는 또한 유리하게 사용자로부터 신호를 수집하는 센서의 기능을 할 수 있다.

실용적인 실시예에서, 검출기 수단은 선택된 모세관 튜브에서 전기 커패시턴스의 변화를 검출하도록 배열된다. 이러한 유형의 검출기 수단을 이용하여, 촉각 디바이스는 유리하게 컴팩트한 형태로 구성될 수 있다.

추가로 바람직한 실시예에 따라, 하나 이상의 모세관 튜브는 상이한 전기 전도율을 갖는 제 1 유체 및 제 2 유체를 포함하며, 상기 유체는 본질적으로 혼합될 수 없다. 이러한 실시예는, 전압-의존 압력으로 하여금, 촉각 요소의 이동도를 제어하기 위해 모세관 튜브에 인가되도록 한다. 추가로 본 발명의 상세한 실시예에서, 제 1 또는 제 2 유체 중 어느 하나는 전기적으로 전도성이고, 다른 유체, 제 2또는 제 1 유체 각각은 전기적으로 절연된다. 이를 통해 이동 범위는 최대가 되어, 촉각 디바이스의 최적의 민감도를 초래한다.

실용적인 실시예에 따라, 엑츄에이터 수단은 하나의 전원 및 다수의 전극을 포함한다. 이러한 실시예에서, 엑츄에이터 수단은 신뢰성있고 비교적 저가인 최소량의 구성요소에 의해 형성된다.

바람직하게, 검출기 수단은 전압 소스 및 전류 측정 디바이스를 포함한다. 전압 소스가 이미 존재하기 때문에, 전류 측정 디바이스만이 검출기 수단에 의해 제공된 센서 기능을 실행하기 위해 추가될 필요가 있다.

바람직하게, 하나 이상의 모세관 튜브는 모세관 튜브의 벽에 부착되는 적어도 하나의 전극을 포함한다.

본 발명은 첨부 도면에 의해 더 설명될 것이다.

모든 도면에서, 동일한 개체는 동일한 참조 번호로 표시된다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 디바이스의 부분으로서 유체 요소(1)의 바람직한 실시예를 개략적으로 도시한다. 유체 요소(1)는 제 1 전기 전도 유체(3)로 채워진 모세관 튜브(2)를 포함한다. 전도 유체의 상부에는 전기 절연 유체(4)가 놓인다. 유체(3 및 4)는 본질적으로 혼합될 수 없고, 유체/유체 메니스커스(meniscus)(5)에 의해 표시된다. 대안적인 실시예에서, 유체(3)는 전기적으로 절연되는 한편, 유체(4)는 전기적으로 전도된다. 적합한 전기 전도 유체의 예는 수용액이다. 적합한 전기 절연 유체의 예는 가스 또는 무극성 오일이다.

엑츄에이터 수단은 전력을 모세관 튜브(2)에 인가하기 위해 제공된다. 그 결과, 전자-모세관 압력이 유도되어, 모세관 튜브의 유체 레벨에서의 변화를 초래한다. 엑츄에이터 수단은 하나의 전원(V) 및 다수의 전극(6)을 포함한다. 도시된 바람직한 실시예에서, 하나의 전극(6)은 각 모세관 튜브(2)의 벽에 통합된다. 전극(6)은 전도 물질 층을 포함한다. 절연 층 뿐 아니라 소수성 코팅이 거기에 추가될 수 있다.

각 모세관 튜브(2)에는 사용자에 의한 유체 레벨의 인식을 위해 유체와 접촉하는 촉각 요소(7)가 제공된다. 촉각 요소는 일단부에서 모세관 튜브(2)에 본질적으로 가까이 있는 유체의 상부상에 유연한 물질로 된 격막(7)을 포함한다. 바람직한 실시예에서, 격막(7)은 유연한 포일을 포함한다. 적합한 물질은 유연한 플라스틱이다. 유연한 포일은 모세관 튜브의 벽에 접착되거나 밀봉된다. 격막(7)에는 예를 들어 매우 단단한 플라스틱과 같은 매우 단단한 물질로 된 접촉점(8)이 제공된다. 접촉점(8)은 격막(7)보다 더 작고, 도트 또는 디스크와 같은 임의의 형태를 가질 수 있다.

전원(V) 및 전극(6)에 의해, 전력이 모세관 튜브(2)에 인가될 때, 전자-모세관 압력이 유도되어, 이를 통해 유체 레벨은 조정될 수 있다. 유체 레벨의 변화는 격막(7)의 위치 변화를 직접적으로 초래한다. 그 예시로서, 2개의 상이한 상황이 도 1 및 도 2에 도시된다. 도 1에서, 모세관 튜브(2)는 격막(7)이 위로 구부러지는 제 1 상태로 도시된다. 도 2에서, 모세관 튜브(2)는 격막(7)이 아래로 구부러지는 제 2 상태로 도시된다. 격막(7)은 감촉의 활성화에 기초하여 사용자에게 정보를 전달하는 필러(feeler)로 작용한다.

전자-모세관 압력의 현상은 종래 기술 분야에서 본래 알려져 있다는 것을 주지하자. 간단히 말하면, 유체/유체 메니스커스(5) 상의 모세관 압력은 2개의 계면 장력 사이의 차이에 의해 결정된다. 상기 계면 장력에는, 한 편으로, 모세관 튜브(2)의 벽과 전도 유체(3) 사이의 경계면의 장력, 및 다른 한 편으로, 모세관 튜브(2)의 벽과 절연 유체(4) 사이의 경계면의 장력이 있다. 상기 장력은 유체/유체 메니스커스(5)의 위치, 이에 따라 격막(7)의 위치에 또한 영향을 준다. 전자-모세관 압력 현상에 대해 더 상세한 설명에 대해, 프린스(Prins) 등의 논문 "전자 모세관 압력에 의한 다중 채널 구조에서의 유체 제어"(2001, 1월 12일, 사이언스, 제 291호)에 인용되어 있으며, 이는 본 명세서에 참고용으로 병합되어 있다.

엑츄에이터 수단(V, 6)은 미리 결정된 시간 기간 동안 격막(7)을 진동시키도록 배열된다. 일반적으로, 격막(7)이 유체 레벨에서의 변화로 인해 다른 상태에 도달할 때 진동이 가해진다. 진동은 더 자연스러운 방식으로 감촉을 활성화한다. 상기 시간 기간 동안 전원(V)에 의해 제공된 전압을 진동(oscillating) 수단과 같이, 이러한 작업을 위한 많은 적합한 엑츄에이터 수단은 당업자에게 이용가능하다.

도 3은 본 발명에 따라 모세관 튜브(2)의 어레이를 포함하는 디바이스(10)를 개략적으로 도시한다. 각 격막(7)의 위치는 대응하는 모세관 튜브(2)에 인가된 전압에 따라 좌우된다. 도시된 예에서, 디바이스(10)는 단지 8개의 모세관 튜브(2)의 하나의 행으로 구성된다. 본 발명에 따른 디바이스에서 모세관 튜브의 수 및 구성이 변할 수 있음이 이해될 것이다. 디바이스에서의 모세관 튜브가 매트릭스 구성으로 배열되는 것이 바람직하다. 사실상, 모세관 튜브의 수는 디바이스의 크기 및 전기 연결부의 수와 같이 실질적인 제약에 의해서만 한정된다. 유체 요소가 고유하게 작은 크기로 된 마이크로 채널(모세관 튜브와 같은)을 포함하기 때문에, 본 발명에 따른 디바이스는 다수의 유체 요소를 포함할 수 있고, 여전히 처리하기 쉬울 것이다. 모세관 튜브의 임계-형 작용(threshhold-like behaviour)은 모세관 튜브의 물리적 특성을 변화시킴으로써 달성될 수 있다. 물리적 특성이 임계-형 작용을 유도하도록 모세관 튜브를 설계함으로써, 트랜지스터 또는 다이오드와 같은 여분의 구성요소는 중복된다. 이것은 본 발명에 따른 디바이스의 크기를 더 감소시킨다. 본 명세서에 참고용으로 병합된 국제 공개 특허 출원 WO 02/39462 A2에서, 임계-형 작용을 보여주는 세그먼트된 전극을 갖는 모세관 튜브의 매트릭스를 포함하는 디바이스의 일례가 기재된다.

전기 연결부의 수는 종래 기술 분야에 본래 알려져 있는 매트릭스 어드레싱 방법을 적용함으로써 유리하게 감소될 수 있다. 모든 모세관이 개별적인 배선에 연결되면, 필요한 전자 제어 요소의 수는 N²로 정해진다. 제어 요소의 수를 차수 N의수로 감소시키는 잘 알려진 방법은 매트릭스 어드레싱에 의한 것이다. 매트릭스 어드레싱은, 행(인덱싱 i, i∈{1,...,N}, 전압 V_i)이 하나씩 활성화되는 반면, 프로그래밍 신호는 열 배선(인덱싱 j, j∈{1,...,N}, 전압 V_j) 상에 위치된다는 것을 의미한다. 촉각 디바이스에서 매트릭스 어드레싱을 적용하기 위해, 전기 매트릭스 구조는 모든 모세관 튜브마다 필요한데, 즉 모든 모세관 튜브(i,j)는 전압(V_i및 V_j)에 연결될 필요가 있다. 인용된 WO 02/39642 A2에서, 이에 대한 3가지 예가 예시되어 있다.

전술한 엑츄에이터 기능 이외에도, 본 발명에 따른 디바이스는 또한 센서로 작용할 수 있다. 전압 소스를 포함하는 검출기 수단 및 전류 측정 디바이스(1)는 전기 커패시턴스의 변화를 검출하기 위해 각 모세관 튜브(2)에 연결된다. 격막(7)의 위치가 예를 들어 사용자가 가한 압력에 의해 능동적으로 변화될 때, 이것은 대응하는 모세관 튜브(2)에서의 전기 커패시턴스의 변화를 초래할 것이고, 이러한 변화는 검출기 수단에 의해 검출될 것이다. 전원(V)은 예를 들어 전압 리플(ripple) 또는 전압 펄스를 제공하는 전압 소스의 역할을 할 수 있다. 디바이스(1)를 이용하여 전류를 측정함으로써, 전기 커패시턴스의 어떠한 변화도 검출될 수 있다. 이제 정보는 하나 이상의 선택된 모세관 튜브(2)의 격막(7) 상에 간단히 압력을 가함으로써 이 디바이스에 전달될 수 있다. 격막은 엑츄에이터 수단에 의해 정밀하게 제공될 수 있는 충분한 정도로 압축 응력이 가해질 필요가 있다. 전기 커패시턴스의 변화를 검출하는 검출기 수단은, H.J.J. 버헤이젠(Verheijen) 및 M.W.J. 프린스가저술한 논문, "전기적으로 측정된 접촉 각도 및 젖음 속도(wetting velocity)"{Rev.Sci,instr. 70(9), 3668-73(1999)}와, M.W.J. 프린스, W.J.J. 웰터스(Welters), 및 J.W. 위캄프(Weekamp)가 저술한 "전기 모세관 압력에 의한 다중 채널 구조에서의 유체 제어"{사이언스 291(5502), 277-280(2001)}에 더 구체적으로 설명되어 있다. 격막(7) 또는 매니스커스(5)의 변형의 광학 검출 수단과 같은 많은 적절한 대안적인 검출기 수단은 또한 당업자에게 이용가능하다.

디바이스(10)에서, 각 모세관 튜브(2)는 제 2 격막(9)에 의해 하부에서 닫혀있다. 격막(9)은 격막(7)과 동일한 특성을 가질 수 있다. 모세관 튜브(2)는 이에 따라 별도의 실체(entity)이고, 수압 크로스토크(hydrostatic crosstalk)가 충분히 방지된다. 대안적으로, 모세관 튜브는 제 1 유체의 공유 저장 용기를 이용할 수 있다. 제조비가 아마 더 낮아지더라도, 크로스토크가 불가피하여, 대안적인 실시예를 특정한 덜 중요한 응용에 대해서만 이용할 수 있게 한다. 양 실시예에서, 유체에서의 특정한 압력을 받고 있는 상태(certain under pressure)는, 격막(9)이 위쪽으로 가장 구부러져 있는 위치에 도달하지 않게 하는데 유용하다. 모세관 튜브의 벽 상의 소수성 코팅과 같이 압력을 받고 있는 상태를 생성하는 다양한 수단은 당업자에게 이용가능하다.

일반적으로, 본 발명에 따른 디바이스는 모세관 튜브를 이용하는 촉각 디바이스를 언급하며, 여기서 유체 레벨은 전자-모세관 압력에 의해 조정되어, 정보를 전달하게 된다. 촉각 디바이스는 엑츄에이터 또는 센서, 또는 이들의 결합체로 작용한다.

촉각 디바이스는 일부만이 본 명세서에 언급되는 다양한 응용에 사용될 수 있다. 제 1 응용은, 통신 디바이스로서, 특히 비주얼 시스템이 이미 과부하를 받는 상황, 예를 들어, 비행기, 수술실, 차량 등에서 추가 정보를 제공하는 것이다. 제 2 응용은, 사용자의 손바닥 및 손가락 끝에 완전한 촉각 감각을 제공하는 장갑과 같은 비주얼 리얼리티 디바이스이다. 다른 응용은 시각 장애인용 원격 로봇 조종기 또는 전자 북일 수 있다.

본 발명은, 물론 설명되거나 도시된 실시예에 한정되지 않지만, 일반적으로 상기 설명 및 도면에 비추어 알 수 있는 바와 같이 첨부된 청구범위의 범주 내에 있는 임의의 실시예로 확장한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 전기 전도 유체를 포함하는 다수의 유체 요소와, 전기력을 상기 유체 요소에 인가함으로써 다수의 선택된 유체 요소의 유체 레벨을 이동시키는 엑츄에이터 수단을 구비한 촉각 디바이스에 관한 것으로, 각 요소에서의 유체 레벨은 이동가능하고, 여기서 각 유체 요소에는 사용자에 의한 유체 레벨 인식을 위해 유체와 접촉하는 촉각 요소가 제공되는 것등에 이용된다.

Claims (12)

1. 전기 전도 유체를 포함하는 다수의 유체 요소와, 상기 유체 요소에 전기력을 인가함으로써 다수의 선택된 유체 요소의 유체 레벨을 이동시키는 엑츄에이터 수단을 구비하는 촉각 디바이스로서, 상기 각 요소에서의 유체 레벨은 이동가능하고, 각 유체 요소는 일단부에서 사용자에 의한 상기 유체 레벨의 인식을 위해 상기 유체와 접촉하는 촉각 요소를 구비하는, 촉각 디바이스에 있어서,

   상기 유체 요소는, 상기 유체 레벨이 전기-모세관 압력의 결과로서 이동가능한 모세관 튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는, 촉각 디바이스.
2. 제 1항에 있어서, 상기 엑츄에이터 수단은 미리 결정된 시간 기간 동안 상기 촉각 요소를 진동시키도록 배열되는, 촉각 디바이스.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 촉각 요소는 유연한 물질로 된 격막을 포함하는, 촉각 디바이스.
4. 제 3항에 있어서, 상기 격막은 적어도 하나의 접촉점(contact spot)을 구비하는, 촉각 디바이스.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 모세관 튜브는 대향 단부에서 유연한 물질로 된 추가 격막을 구비하는, 촉각 디바이스.
6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 엑츄에이터 수단은 미리 결정된 압축 응력 레벨에서 다수의 선택된 모세관 튜브의 유체 레벨을 설정하도록 배열되고, 상기 디바이스는 선택된 모세관 튜브에서 유체 레벨의 변화를 검출하도록 배열되는 검출 수단을 더 포함하는, 촉각 디바이스.
7. 제 6항에 있어서, 상기 검출기 수단은 상기 선택된 모세관 튜브에서 전기 커패시턴스의 변화를 검출하도록 배열되는, 촉각 디바이스.
8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 모세관 튜브는 상이한 전기 전도율을 갖는 제 1 유체 및 제 2 유체를 포함하고, 상기 유체들은 본질적으로 혼합될 수 없는, 촉각 디바이스.
9. 제 8항에 있어서, 상기 제 1 유체 또는 제 2 유체 중 하나는 전기적으로 전도성이고, 다른 하나의 유체, 즉 제 2 또는 제 1 유체 각각은 전기적으로 절연성인, 촉각 디바이스.
10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 엑츄에이터 수단은 하나의 전원 및 다수의 전극을 포함하는, 촉각 디바이스.
11. 제 6항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 검출기 수단은 하나의 전압 소스 및 하나의 전류 측정 디바이스를 포함하는, 촉각 디바이스.
12. 제 10항 또는 제 11항에 있어서, 하나 이상의 모세관 튜브는 상기 모세관 튜브의 벽에 부착되는 적어도 하나의 전극을 포함하는, 촉각 디바이스.