KR20090036741A - 소형 촉각 입출력 모터 및 이를 이용한 촉각 입출력 장치 - Google Patents

소형 촉각 입출력 모터 및 이를 이용한 촉각 입출력 장치

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KR20090036741A
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Abstract

본 발명은 촉각을 이용하여 정보를 전달하는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 촉각 입출력이 가능한 모터 및 이를 이용한 촉각 입출력 장치에 관한 것으로, 본원발명은 전기신호에 의한 선형운동을 이용해 접촉면에 촉각을 전달하고, 상기 접촉면으로부터 전달되는 압력을 감지하여 촉각에 의한 입력신호를 출력하는 촉각 입출력 모터를 복수 개 구비하는 촉각 입출력 하우징부를 휴대용 장치, 시계, 반지 등 다양한 장치에 적용하여 촉각에 의해 정보를 전달할 수 있는 효과가 있다.

Description

소형 촉각 입출력 모터 및 이를 이용한 촉각 입출력 장치{A COMPACT MOTOR PROVIDING TACTILE INPUT AND OUT AND APPARATUS USING THE MOTOR}
본 발명은 촉각을 전달하는 인터페이스에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 촉각을 입출력할 수 있는 복수의 소형 모터를 필요에 따라 다양한 전자 장치에 적용하여 촉각에 의한 정보전달을 실현할 수 있는 촉각 입출력 장치에 관한 것이다.
본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT신성장동력핵심기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호 : 2006-S-032-02 과제명 : 퍼스널 Life Log 기반 지능형 서비스 기술 개발].
일반적으로, 전자 장치를 이용해 정보를 입출력하는 방법으로 다양한 기술들이 적용되기는 하였지만, 정보를 입력하고 출력하는 방법은 일반적으로 나누어져 있었다. 즉, 정보를 입력하는 방법은 컴퓨터에서 이용하는 키보드와 마우스로 입력하는 방법, 휴대폰에서 이용하는 키패드를 이용하거나 터치 스크린을 이용하여 입력하는 방법 그리고 음성을 이용한 입력하는 방법 등이 있었다.
이에 반해, 정보를 출력하는 방법은 컴퓨터, 휴대폰, 텔레비젼 등과 같은 다양한 전자 제품에서 스크린을 통해 시각적으로 정보를 출력하는 방법, 스피커를 통해 청각적으로 정보를 출력하는 방법 그리고 시각과 청각을 통해 동시에 출력하는 방법 등이 있었다. 하지만, 이러한 시각과 청각 등에 한정하여 정보를 전달하는 경우에는 정보 전달의 당사자나 전달하는 정보의 성격에 따라 충분한 정보 전달이 이루어지지 않는 문제가 있었다.
예를 들어, 시각 장애인은 시각을 통해 정보를 전달받을 수 없고, 청각 장애인은 소리를 통해 의사소통을 할 수 없는 문제가 있었다. 이러한, 문제로부터 시작된 촉각에 의한 정보 전달에 관한 연구가 최근에 활발하게 진행되고 있다. 촉각은 인간의 피부에 자극을 주어 정보를 전달하는 방법으로 시각장애인을 위한 전자 점자 장치, 사물의 질감을 전달하는 질감 전달 장치, 휴대폰의 진동과 같이 진동을 통해 일정한 정보를 전달하는 방법 등 다양한 방법들이 소개되고 있다.
하지만, 지금까지는 촉각 장치를 통한 출력을 사용자들이 감지하여 이를 이미 알고 있는 정보의 비교를 통해 하나의 정보로 인식하는 경우가 대부분이었고, 촉각을 통해 원하는 정보를 입력하는 방법에 대한 기술은 거의 없었다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 촉각 장치를 통해 촉각 정보를 출력하는 것은 물론, 동일한 장치를 이용해 정보를 입력하는 촉각 인터페이스를 제공할 필요가 있게 되었다.
또한, 촉각의 입출력을 다양한 장치에 적용하기 위해 촉각의 입출력에 필요한 모터를 소형으로 제작할 수 있는 기술과 함께 촉각의 입력을 감지할 수 있는 센서를 소형 모터에 구비하는 기술이 필요하게 되었다.
상기와 같은 필요를 충족시키기 위해, 본 발명의 일면에 의한 소형 촉각 입출력 모터는 전기 신호에 의해 변위가 발생하는 트랜스듀서, 상기 트랜스듀서에 연결되어 상기 트랜스듀서의 반복적으로 발생하는 변위에 따라 수직운동하는 이동축, 상기 이동축을 감싸는 형태로 이루어지고 상기 전기신호에 따라 이동하는 이동자, 상기 이동자의 상부면에 구비되어 상기 이동자의 이동에 따라 피부가 접촉하는 접촉면에 촉각을 전달하고, 상기 접촉면으로부터 전달되는 압력을 상기 이동자에 전달하여 이동자가 아래로 이동하도록 하는 촉각전달부 및 상기 아래로 이동하는 이동자의 접촉을 감지하여 촉각에 의한 입력신호로 출력하는 접촉센서를 포함한다.
이때, 상기 전기신호는 초음파 영역의 주파수인 전기신호이고, 상기 트랜스듀서는 압전물질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 접촉센서는 상기 트랜스듀서와 상기 이동자 사이의 상기 이동축에 위치하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 소형 촉각 입출력 모터는 상기 이동자의 하부면에 형성되어 상기 이동자의 이동을 상기 접촉센서에 전달하는 접촉부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 일면에 의한 소형 촉각 입출력 모터는 초음파 영역의 전기 신호에 의해 변위가 발생하는 트랜스듀서, 상기 트랜스듀서에 연결되어 상기 트랜스듀서의 변위에 따라 수직방향으로 미세한 왕복운동을 하는 이동축, 상기 이동축을 감싸는 형태로 이루어지고 상기 이동축의 왕복운동에 따라 상하로 이동하는 이동자, 상기 이동자의 상부면에 구비되어 상기 이동자의 이동에 따라 피부가 접촉하는 접촉면에 촉각을 전달하고, 상기 접촉면으로부터 전달되는 압력을 상기 이동자에 전달하여 이동자가 아래로 이동하도록 하는 촉각전달부, 상기 압력에 의한 상기 이동자의 이동 변위를 측정하여 미리 설정된 변위가 발생하면 촉각에 의한 입력신호로 출력하는 변위측정센서를 포함한다.
이때, 상기 변위측정센서는 상기 이동자의 하부면에 고정된 이동핀, 상기 이동핀의 변위에 따라 발생하는 전류 및 전압의 변화에 따라 촉각에 의한 입력신호를 출력하는 전기유도부를 포함한다.
본 발명의 또 다른 일면에 의한 소형 촉각 입출력 모터는 전기 신호에 의해 변위가 발생하는 트랜스듀서, 상기 트랜스듀서에 연결되어 상기 트랜스듀서의 변위에 따라 수직운동하는 이동축, 상기 이동축을 감싸는 형태로 이루어지고 상기 전기신호에 따라 이동하는 이동자, 상기 이동자의 상부면에 구비되어 상기 이동자의 이동에 따라 피부가 접촉하는 접촉면에 촉각을 전달하고, 상기 접촉면으로부터 전달되는 압력을 상기 이동자에 전달하여 이동자가 아래로 이동하도록 하는 촉각전달부, 상기 이동자의 하부면에 고정된 이동핀의 움직임을 광을 이용하여 측정하여 촉각에 의한 입력신호를 출력하는 광센서를 포함한다.
이때, 상기 광센서는 빛을 발광하는 발광부, 상기 발광부에서 발광된 빛이 상기 이동핀의 움직임에 의해 변화된 정도를 감지하여 촉각에 의한 입력신호를 출력하는 수광부를 포함한다.
본 발명의 또 다른 일면에 의한 소형 촉각 입출력 모터는 전기 신호에 의해 변위가 발생하는 트랜스듀서, 상기 트랜스듀서에 연결되어 상기 트랜스듀서의 변위에 따라 수직운동을 하여 피부가 접촉하는 접촉면에 촉각을 전달하고, 상기 접촉면으로부터 전달되는 압력에 따라 아래로 이동하는 이동축, 상기 이동축을 감싸는 형태로 이루어지고 상기 피부가 접촉하는 접촉면에 고정되는 이동자, 상기 압력에 의한 상기 이동축의 이동 변위를 측정하여 미리 설정된 변위가 발생하면 촉각에 의한 입력신호로 출력하는 감지센서를 포함한다.
이때, 상기 감지센서는 상기 압력에 의한 상기 이동체의 이동에 따라 아래로 이동하는 상기 트랜스듀서의 접촉을 감지하여 촉각에 의한 입력신호를 출력하는 것을 특징으로 하고, 또는, 상기 감지센서는 상기 이동축에 연결된 이동핀이 아래로 이동함에 따라 접촉이 감지되면 촉각에 의한 입력신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 촉각 입출력 장치는 초음파 영역의 전기신호에 의한 선형운동을 이용해 접촉면에 촉각을 전달하고, 상기 접촉면으로부터 전달되는 압력을 감지하여 촉각에 의한 입력신호를 출력하는 촉각 입출력 모터를 복수 개 구비하는 촉각 입출력 하우징부, 상기 복수 개의 촉각 입출력 모터에 전원을 공급하는 촉각전원 공급부, 상기 초음파 입출력 모터에 입력되는 전기신호를 제어하고, 상기 출력되는 촉각에 의한 입력신호를 수신하는 제어부, 상기 복수의 촉각 입출력 모터의 제어신호를 수신하여 상기 제어부에 전달하고, 상기 수신된 촉각에 의한 입력신호를 송신하는 송수신부를 포함한다.
이때, 상기 촉각 입출력 모터는 상기에서 언급된 다양한 촉각 입출력 모터를 이용할 수 있다.
또한, 상기 촉각 입출력 하우징의 상기 복수의 촉각 입출력 모터는 각각의 이동축의 길이를 이웃하는 촉각 입출력 모터의 이동축의 길이와 다르게 하여 엇갈리도록 배치하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 촉각 입출력 모터는 다양한 전자기기에 적용되어 정보의 입출력 장치로 이용될 수 있으며, 구체적으로 상기 촉각 입출력 장치는 휴대폰에 내장되어 촉각에 의해 데이터를 입출력할 수 있고, 리모콘에 내장되어 촉각에 의해 데이터를 입출력할 수 있으며 그리고 반지에 내장되어 촉각에 의한 데이터를 입출력할 수 있다.
본 발명에 의한 촉각 입출력 방법은 초음파 영역의 전기신호에 의한 선형운동을 이용해 접촉면에 촉각을 전달하고, 상기 접촉면으로부터 전달되는 압력을 감지하여 촉각에 의한 입력신호를 출력하는 촉각 입출력 모터에 있어서, 상기 촉각 입출력 모터에 전기신호를 공급하는 단계, 상기 전달되는 압력에 의해 발생하는 상기 촉각 입출력 모터의 이동축의 움직임을 측정하는 단계, 상기 이동축이 미리 설정된 위치까지 움직이면 상기 전기신호 공급을 중단하는 단계 및 상기 이동축이 상기 촉각 입출력 모터의 감지센서에 접촉하면 촉각에 의한 입력신호를 출력하는 단계를 포함한다.
`
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 소형 촉각 입출력 모터 및 이를 이용한 촉각 입출력 장치는 촉각을 이용하여 정보를 전달하는 것은 물론 동일한 장치를 이용해 정보를 출력할 있는 효과가 있다.
또한, 촉각에 의해 정확한 정보가 입력되었는지 그 결과를 촉각에 의한 출력으로 실시간으로 알 수 있기 때문에 촉각에 의해서도 정확한 정보를 전달할 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 본 발명에 이용되는 선형 구동기의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2 는 본 발명에 이용되는 선형 구동기에 핀형 촉각 전달부를 부착하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 3 은 본 발명에 의한 촉각 입력을 감지하기 위한 센서를 부착한 소형 촉각 입출력 모터의 제 1 실시예를 나타낸다.
도 4 는 본 발명에 의한 촉각 입력을 감지하기 위한 센서를 부착한 소형 촉각 입출력 모터의 제 2 실시예를 나타낸다.
도 5 는 본 발명에 의한 촉각 입력을 감지하기 위한 센서를 부착한 소형 촉각 입출력 모터의 제 3 실시예를 나타낸다.
도 6 은 본 발명에 의한 촉각 입력을 감지하기 위한 센서를 부탁한 소형 촉각 입출력 모터의 제 4 실시예를 나타낸다.
도 7 은 본 발명에 의한 이동축을 이용하여 촉각을 입력하는 개념을 나타내는 도면이다.
도 8 은 본 발명에 의한 이동축을 이용하여 촉각을 입출력하는 소형 촉각 입출력 모터의 제 1 실시예를 나타낸다.
도 9 는 본 발명에 의한 이동축을 이용하여 촉각을 입출력하는 소형 촉각 입출력 모터의 제 2 실시예를 나타낸다.
도 10 은 본 발명에 의한 복수의 소형 촉각 입출력 모터가 일정하게 배열된 촉각 입출력 하우징부의 구성을 나타내는 도면이다.
도 11 은 본 발명에 의한 촉각 입출력 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 12 는 본 발명에 의한 촉각 입출력 장치를 휴대장치에 적용한 실시예를 나타내는 도면이다.
도 13 은 본 발명에 의한 촉각 입출력 장치를 리모콘 및 손목시계 등에 내장한 실시예를 나타내는 도면이다.
도 14 는 본 발명에 의한 촉각 입출력 장치를 반지에 내장한 실시예를 나타내는 도면이다.
도 15 는 본 발명에 의한 촉각을 느끼면서 정보를 입력하기 위한 촉각 입력 방법을 나타내는 도면이다.
도 16 은 본 발명에 의한 촉각 입출력 하우징부를 다수의 입력버튼으로 이용하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 17 은 본 발명에 의해 촉각 재생 버튼을 활용하는 예를 나타내는 도면이다.
도 18 은 본 발명에 의한 촉각 자극 출력을 나타내는 도면이다.
도 19 는 본 발명에 의한 음향 표시기의 동작을 설명하는 도면이다.
도 20 은 본 발명에 의한 촉각 입출력이 가능한 다이얼의 동작 원리를 나타내는 도면이다.
도 21 은 본 발명에 의한 촉각 입출력이 가능한 다이얼의 동작 순서를 나타내는 도면이다.
도 22 는 본 발명에 의한 버튼을 누르는 느낌을 재현하는 펜형 인터페이스의 하나의 예를 나타낸다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 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.
도 1 은 본 발명에 이용되는 선형 구동기의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 이용되는 선형 구동기(100)는 전기신호에 따라 미세한 변위가 발생하는 트랜스듀스(110), 트랜스듀서(110)에 수직으로 연결되어 트랜스듀서(110)의 미세한 변위에 의해 미세한 수직운동을 하는 이동축(130) 그리고 이동축(130)을 감싸는 형태로 형성되어 이동축(130)의 미세한 수직운동의 속도에 따라 이동축(130)과 함께 또는 별도로 분리되어 움직이는 이동자(120)을 포함한다.
트랜스듀서(110)는 전기신호에 따라 오목하게 또는 볼록하게 변하는 바이모프(bimorph)원리의 디스크 형태로 이루어진다. 또한, 트랜스듀서(110)는 전기신호의 전위차에 의해 매우 빠르게 반응하여 변위를 발생시키는 압전물질로 이루어진다.
이와 같은 선형구동기(100)는 트랜스듀서(110)에 가해지는 전기신호에 따라 이동축(130)과 이동자(120)에서 다음과 같은 운동이 일어난다.
먼저, 트랜스듀서(110)는 가해지는 전기신호에 따라 오목 또는 볼록하게 변하는 미세한 운동에 따라 변위가 발생한다. 트랜스듀서(110)의 이러한 미세한 운동에 따라, 수직으로 연결된 이동축(130)은 수직으로 미세한 왕복운동을 한다. 이때, 이동축(130)을 감싸면서, 이동축(130)과 일정한 마찰력이 작용하는 이동자(120)는 이동축(130)의 이동속도에 따라 이동축(130)과 함께 또는 별도로 운동을 한다.
이동축(130)의 이동속도가 느린 경우, 이동자(120)는 이동축(130)과의 마찰력에 의해 이동축(130)과 함께 운동을 한다. 반면, 이동축(130)의 이동속도가 매우 빨라 순간적으로 움직이는 경우에는 이동자(120)와 이동축(130) 사이에 미끄럼이 발생하여 이동자(120)는 이동축(130)과 별도의 운동을 하게 된다.
이러한 원리를 이용하여 이동축(130)을 고정시킨 상태의 초음파 선형 구동기(100)는 트랜스듀서(120)의 순간적인 동작에 따라 이동자(120)의 위치를 미세게 변화시킬 수 있다. 이 변화량은 일반적으로 수 마이크로미터보다 작은 크기로 사람이 눈으로 지각할 수 없다. 그러나, 트랜스듀서(110)는 보통 전기적 신호에 매우 빠르게 응답하는 압전물질(압전세라믹, 압전폴리머 등)로 작동되어 수십 kHz 이상의 주파수까지 동작하는 것이 가능하다. 그러므로, 트랜서듀서(110)는 높은 주파수로 동작하는 경우 1 초에 수십 mm이상 이동자(120)의 움직임을 원하는 방향으로 이동시킬 수 있다.
인간의 가청주파수 영역이 보통 최대 20kHz수준이므로, 트랜스듀서(110)가 이보다 더 높은 주파수로 동작할 경우 인간이 들을 수 없는 초음파 영역에 해당하고, 이러한 영역에서 동작하는 구동기의 가장 대표적인 것이 초음파 선형 구동기(Ultrasonic Linear Actuator)이다. 초음파 구동기는 이와 같은 선형 구동기 이외에도 다양한 곳에 적용될 수 있으나, 본 발명은 그림과 같이 이동자(120)가 이동축(130)을 따라 상기에서 설명한 바와 같은 원리로 움직이는 구조의 선형 구동기를 대상으로 한다. 이와 같은 원리의 구동기는 소음이 거의 발생하지 않으면서 초소형, 저전력이라는 특징이 있다. 물론 초음파 영역의 주파수가 아니라 하더라도 약간의 소음이 발생할 뿐 이동자(120)의 이동은 가능하다.
도 2 는 본 발명에 이용되는 선형 구동기에 핀형 촉각 전달부를 부착하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 2 는 선형 구동기(100)가 촉각을 효율적으로 입출력하기 위해 피부와 접촉하는 부분에 핀 형상의 촉각 전달부를 접착한 실시예를 나타낸다. 점자를 표현하거나 촉각 재현을 실현하기 위해 복수의 선형 구동기를 동시에 사용하여 피부를 직접 자극하여 촉각을 전달한다. 선형 구동기(100)는 트랜스듀스(110)의 미세한 왕복운동에 의해 이동축(130)이 수직으로 미세하게 왕복운동을 한다. 이러한 이동축(130)의 왕복운동이 일정 속도 이상이 되면, 이동축(130)과 이동자(120) 사이에 미끄러짐이 발생하고 이동자(120)는 이동축(130)과 별도로 운동을 한다. 이러한 이동자(120)의 운동을 통해 접촉하는 피부에 촉각을 전달하기 위해서는 이동자(120)의 상부면에 이동자(120)와 일체 혹은 분리 가능한 형태로 촉각 전달부(210)가 구비된다. 촉각 전달부(210)는 이동자(210)의 움직임에 의존하여 운동을 한다. 촉각 전달부(210)가 이동자(120)와 분리 가능한 경우에는 촉각을 전달하기 변형할 수 있는 다양한 형태로 교환이 가능하다. 예를 들어, 피부와 접촉하는 촉각 전달부(210)의 상부면에 요철을 형성하여 피부에 강한 자극을 주거나, 혹은 구의 형상을 통해 촉각 전달을 쉽게 할 수 있도록 할 수 있다.
도 3 내지 도 6 은 트랜스듀스(110)의 미세한 운동에 의해 이동자(120)가 이동축(130)과 별도로 운동하여 촉각을 입출력하는 실시예를 나타낸다.
도 3 은 본 발명에 의한 촉각 입력을 감지하기 위한 센서를 부착한 소형 촉각 입출력 모터의 제 1 실시예를 나타낸다. 이하, 본 발명에 있어서 소형 촉각 입출력 모터는 촉각을 전달하기 위한 선형 구동기와 동일한 의미를 가진다.
도 3 에 의한 소형 촉각 입출력 모터는 전기 신호에 의해 변위가 발생하는 트랜스듀서(110), 트랜스듀서(110)에 연결되어 트랜스듀서(110)의 변위에 따라 수직운동하는 이동축(130), 이동축(130)을 감싸는 형태로 이루어지고 전기신호에 따라 이동하는 이동자(120), 이동자(120)의 상부면에 구비되어 상기 이동자의 이동에 따라 피부(300)가 접촉하는 접촉면에 촉각을 전달하고, 접촉면으로부터 전달되는 압력을 이동자(120)에 전달하여 이동자(120)가 아래로 이동하도록 하는 촉각전달부(210) 및 아래로 이동하는 이동자(120)의 접촉을 감지하여 촉각에 의한 입력신호로 출력하는 접촉센서(310)를 포함한다.
본 발명에 의한 소형 촉각 입출력 모터는 가해지는 전기신호에 따라 촉각을 피부(300)에 전달하는 것은 물론, 피부(300)로부터 가해지는 압력에 따른 촉각을 접촉센서(310)로 감지하여 입력신호로 출력하여 전달하는 것을 특징으로 한다.
이를 위해, 접촉센서(310)는 피부 혹은 손(300)이 눌러서 가해지는 압력에 따라 아래로 이동하는 이동자(120)의 움직임을 감지하기 위해 이동축(130)에 일체로 혹은 분리가능한 형태로 구비될 수 있다. 이때, 접촉센서(310)는 트랜스듀서(110)와 이동자(120) 사이의 이동축(130)에 위치할 수 있고, 또는 트랜스듀서(110)의 상부에 위치할 수 있다. 그래서, 손가락(300)으로 누른 촉각 전달부(210)가 이동자(120)와 함께 아래로 움직여 접촉센서(310)에 접촉하는 순간 피부에 의해 입력이 있었다는 것을 감지할 수 있다. 여기서 이용되는 접촉센서(310)는 이동자(120)의 접촉을 감지할 수 있는 경우라면 압력센서와 같은 다양한 센서장치가 이용될 수 있다.
소형 촉각 입출력 모터를 이용하여 촉각을 출력하는 경우에는 소정의 전기신호가 가해지고, 이에 따라 이동자(120)가 움직이게 된다. 하지만, 촉각 출력이 끝난 경우에는, 전기신호가 가해지지 않고 이동자(120)가 움직임을 멈추고 제자리에 정지하게 된다. 이때, 이동자(120)와 이동축(130) 사이의 정지 마찰력의 크기나 이동자(120)가 이동축(130)을 타고 이동하는 힘의 크기는 1N 이내로 설계되는 것이 촉각 전달부(또는, 핀이라고 한다.)(210)를 손으로 밀어 촉각을 전달하기 위해 적합하다. 이때, 정지마찰력 및 이동축(130)의 이동시 발생하는 힘은 모두 0.1 ~0.5N 이내로 설계되는 것이 바람직하다. 그 이유는 이 정도 크기의 힘이 위로 움직일 때 피부를 1mm정도 변형시킬 정도의 힘이며, 손가락(300)이 촉각 전달부(210)를 누르는 동안에는 통증 없이 자연스럽게 핀을 누를 수 있도록 하는 크기의 힘이기 때문이다.
도 4 는 본 발명에 의한 촉각 입력을 감지하기 위한 센서를 부착한 소형 촉각 입출력 모터의 제 2 실시예를 나타낸다.
도 4에 의한 소형 촉각 입출력 모터는 도 3의 소형 촉각 모터에서 트랜스듀서(110), 이동자(120), 이동축(130) 그리고 촉각 전달부(210)에 대한 설명은 동일하고, 다만, 피부(300)에 의해 가해진 압력을 감지하기 위한 센서의 형태가 다르다.
도 4에 의한 접촉센서(420)는 트랜스듀서(110) 혹은 이동축(130)에 고정되는것이 아니고 다른 고정장치(430)에 위치한다. 고정장치(430)는 소형 촉각 입출력 모터가 아닌 다른 부분에 고정되어 접촉센서(420)를 지지한다.
또한, 이동자(120)의 하부면에 핀의 형상인 접촉부(410)가 구비될 수 있다. 접촉부(410)가 항상 필요한 것은 아니고, 필요한 경우에 구비될 수 있다.
도 5 는 본 발명에 의한 촉각 입력을 감지하기 위한 센서를 부착한 소형 촉각 입출력 모터의 제 3 실시예를 나타낸다.
도 5 에 도시된 실시예는 촉각 입출력을 위한 센서로 변위측정센서(500)를 사용한다. 변위측정센서(500)는 이동자(120)의 하부에 연결되어 이동자(120)의 이동에 따라 움직이는 이동핀(510)과 이동핀(510)의 움직임에 따라 발생하는 전류 및 전압의 변화에 따라 촉각에 의한 입력을 감지하여 입력신호를 출력하는 전기유도부(520)로 이루어진다. 이러한 변위측정센서(500)로는 LVDT(Linear Variable Differential Transformer ), 홀센서, 자기장 센서 등이 이용된다.
이와 같은 변위측정센서(500)를 사용할 경우에는 도 3, 도 4의 실시예와 달리 이동자(120)의 움직임을 정밀하게 측정할 수 있으므로, 손가락으로 누른 깊이를 정확하게 측정할 뿐 아니라 현재 이동핀(520)의 위치까지 정확하게 측정함으로써 더 정확한 촉각 입출력을 가능하게 한다. 특히 손가락으로 누르던지 외부의 물리력에 의한 위치 변화가 발생하는 순간에도 원래 위치로 복원하게 할 수 있는 기능을 갖는 특징이 있다.
도 6 은 본 발명에 의한 촉각 입력을 감지하기 위한 센서를 부탁한 소형 촉각 입출력 모터의 제 4 실시예를 나타낸다.
도 6 에 도시된 실시예는 촉각 입출력을 측정하기 위한 이동자의 움직임을 단계적으로 측정할 수 있는 광센서(600)를 사용한다. 광센서(600)는 광을 이용하여 촉각에 의한 입력을 감지한다. 이러한 광센서(600)는 빛을 발광하는 발광부(620)와 발광부(620)에서 발광된 빛이 이동핀(610)의 움직임에 의해 변화된 정도를 감지하여 촉각에 의한 입력신호를 출력하는 수광부(630)로 구성된다. 발광부(620)와 수광부(630)는 모터의 외부에 고정된 고정장치(640)에 고정되어 이동자(120)의 하부에 부착된 이동핀(610)의 위치를 감지하여, 피부에 의한 촉각 입력이 존재하는지를 판단한다.
광센서(600)에 의한 촉각 입력여부의 감지는 다음과 같이 이루어진다. 피부 혹은 손에 의해 촉각 전달부(210)에 압력이 작용하면, 이동자(120)의 하부에 부착된 이동핀(610)은 아래로 이동한다. 이동핀(610)는 아래로 이동하면서 발광부(620)와 수광부(630) 사이로 움직이면서 발광부(620)에서 발광된 빛을 가리게 된다. 이에 따라, 수광부(630)에서는 감지되는 빛을 통해 이동핀(610)의 움직임 여부를 감지할 수 있다.
또한, 쌍으로 존재하는 광센서(600)는 수직방향으로 여러 쌍이 존재하여 이동자(120)의 이동 정도를 단계적으로 측정하는 것이 가능하다. 따라서, 피부(300)의 압력에 의해 이동하는 이동핀(610)이 일정 높이에 오면 촉각에 의한 입력이 있는 것으로 판단할 수 있다.
도 7 내지 도 9는 트랜스듀서의 미세한 움직임에 따라 이동자가 고정되고, 이동축이 상하로 움직이는 경우를 나타내는 실시예이다.
도 7 은 본 발명에 의한 이동축을 이용하여 촉각을 입력하는 개념을 나타내는 도면이다.
초음파 구동기 또는 소형 촉각 입출력 모터는 일반적으로 이동축(130)이 고정되어 있고, 이동자(120)가 움직이는 원리를 사용한다. 그러나 도 1 에서 설명한 초음파 구동기의 동작원리를 적용하면, 이동자(120)가 고정되는 경우에는 이동축(130)이 선형운동을 할 수 있다.
이동자(120)는 고정판(710)에 고정되어 움직이지 않고, 트랜스듀서(110)에 입력되는 전기신호에 따라 이동축(130)이 상하로 이동한다. 따라서, 피부는 상하 운동을 하는 이동축(130)의 움직임에 따라 촉각을 입출력할 수 있다. 따라서, 이동자(120)에 상기에서 설명한 촉각 전달부와 같은 별도의 구성요소가 필요하지 않고, 촉각 전달의 효율을 위해 이동축(120)의 상부 끝단에 피부에 자극을 주기 위한 처리를 하면 된다.
이러한 방법에 의해, 이동자(120)는 촉각 입출력 모터가 이용되는 장치의 덮개부(710) 혹은 다른 고정부분에 고정되어 촉각을 입출력할 수 있다. 이를 통해, 피부에 자극을 가하는 핀 배열을 더 소형화할 수 있고 또한, 제작 공정을 간단하게 할 수 있다.
도 8 은 본 발명에 의한 이동축을 이용하여 촉각을 입출력하는 소형 촉각 입출력 모터의 제 1 실시예를 나타낸다.
도 8에 의한 소형 촉각 입출력 모터는 이동축(120)의 이동에 의해 촉각을 피부에 전달한다. 트랜스듀서(110)에 가해지는 전기신호에 따라 발생하는 변위에 따라 이동축(130)에 미세한 변위가 발생하고, 이에 따라, 고정된 이동자(120)를 기준으로 이동축(130)은 상하로 이동하여 이동축(130)의 상부 끝단에 접촉된 피부에 촉각을 전달하게 된다.
촉각의 입력은, 이동축(130)의 상부에 접촉한 피부(300)로부터 압력이 주어지는 경우에 이동축(130)은 아래로 이동을 하게 된다. 이동축(130)이 아래로 이동함에 따라 이동축에 연결된 접촉구조(810)도 동시에 이동하여 접촉센서(820)에 접촉하게 된다. 이에 따라, 접촉센서(820)는 촉각에 의한 입력이 있는 것으로 감지한다.
도 8에 이용되는 접촉센서(820) 등은 도 5와 도 6에서 이용된 변위측정센서 또는 광센서로 대체하여 이용할 수 있다.
도 9 는 본 발명에 의한 이동축을 이용하여 촉각을 입출력하는 소형 촉각 입출력 모터의 제 2 실시예를 나타낸다.
도 9는 이동축(130)이 이동하는 경우에 트랜스듀서(110)도 동시에 이동하는 원리를 이용하여 촉각 입력 여부를 감지한다. 이를 위해, 트랜스듀서(110)의 하부면에 접촉부(910)가 부착되고, 접촉센서(920)는 트랜스듀서(110)와 소정의 간격으로 이격되도록 하여 다른 고정부에 고정되도록 한다. 따라서, 피부 혹은 손에 의해 누르는 힘이 작용하면, 이동축(130)과 트랜스듀서(110)는 아래로 이동하여, 트랜스듀서(110)에 부착된 접촉부(910)가 접촉센서(920)에 접촉한다. 이에 따라, 접촉센서(920)는 촉각에 의한 입력을 감지한다.
도 9에 있어서도, 도 5와 도 6에서 이용된 변위측정센서 또는 광센서로 대체하여 이동할 수 있다.
도 10 은 본 발명에 의한 복수의 소형 촉각 입출력 모터가 일정하게 배열된 촉각 입출력 하우징부의 구성을 나타내는 도면이다.
촉각 입출력 하우징부(1000)는 상기에서 설명한 다양한 소형 촉각 입출력 모터를 복수 개 구비한다. 촉각 입출력 하우징부(1000)를 다양한 휴대용 단말 등에 이용하기 위해서는 그 크기를 소형화는 것이 중요하다. 일반적으로, 촉각 입출력 모터의 배열은 모터 간의 간격을 트랜스듀서(110)의 반지름보다 작게 하는 것이 어렵다. 이에 본원발명은 그 간을 더 좁게 하기 위하여 이동축(130)의 길이를 달리하여 엇갈리게 배치하도록 하였다. 이와 같이, 촉각 입출력 모터를 다수 배치할 경우 개별 모터을 버튼처럼 활용하거나 개별 핀의 동작 여부에 따라 다양한 촉각 자극 패턴을 형성하여 미리 정해진 규칙에 따라 원하는 정보를 촉각적으로 전달할 수 있는 장점을 갖는다.
도 11 은 본 발명에 의한 촉각 입출력 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
본 발명에 의한, 촉각 입출력 장치(1100)는 초음파 영역의 전기신호에 의한 선형운동을 이용해 접촉면에 촉각을 전달하고, 접촉면으로부터 전달되는 압력을 감지하여 촉각에 의한 입력신호를 출력하는 촉각 입출력 모터를 복수 개 구비하는 촉각 입출력 하우징부(1000), 복수 개의 촉각 입출력 모터에 전원을 공급하는 촉각전원 공급부(1110), 초음파 입출력 모터에 입력되는 전기신호를 제어하고, 출력되는 촉각에 의한 입력신호를 수신하는 제어부(1120) 및 수신된 복수의 촉각 입출력 모터의 제어신호를 수신하여 제어부(1120)에 전달하고, 제어부(1120)로부터 전달된 촉각에 의한 입력신호를 송신하는 송수신부(1130)를 포함한다.
촉각 입출력 하우징(1000)은 도 10에서 설명한 바와 같이 소형 촉각 입출력 모터를 일정한 배열로 복수 개 구비한다. 여기서 소형 촉각 입출력 모터는 도 3 내지 도 6 또는 도 8 내지 도 9에서 소개된 것들 중에서 적어도 하나로 이루어진다.
촉각 입출력 하우징(1000)은 송부신부(1130)로부터 입력된 촉각 출력에 대한 신호에 대해 제어부(1120)로부터 전달되는 제어신호에 따라 복수의 모터를 제어하여 접촉하는 피부에 촉각을 전달한다. 여기서 전달하는 촉각은 다양한 정보를 포함하는 것으로 촉각 입출력 장치(1100)가 이용되는 분야에 따라 다양할 수 있다. 예를 들어, 시각 장애인을 위한 점자, 위급상황을 알리는 정보 등 다양하게 적용될 수 있다.
촉각 입출력 하우징(1000)은 촉각 정보를 출력하는 것은 물론, 접촉한 피부 또는 손을 이용해 소형 촉각 입출력 모터를 눌러 촉각 정보를 입력할 있다. 각각의 소형 촉각 입출력 모터는 압력에 의해 감지되는 촉각 입력을 제어부에 전달한다.
전원공급부(1110)는 촉각 입출력 장치(1100)가 작동하기 위해 필요한 전원을 공급한다. 촉각 입출력 하우징부(1000)의 복수의 소형 촉각 입출력 모터를 구동하기 위한 전원공급이 필요하고, 이를 전원공급부(1110)가 담당한다.
제어부(1120)는 송수신부(1130)에서 전달되는 촉각 출력 정보를 이용하여 촉각 입출력 하우징부(1000)를 제어한다. 또한, 촉각 입출력 하우징부(1000)에서 감지된 촉각 입력 신호를 수신하고, 수신된 입력신호를 송수신부(1130)를 통해 송신한다.
또한, 제어부(1120)는 촉각 입출력 장치(1100)를 전체적으로 제어하는 역할을 수행한다.
송수신부(1130)는 피부에 전달할 정보를 수신하여 제어부(1120)에 전달하고, 제어부(1120)로부터 전달된 촉각 입력신호를 수신하여 송신하는 역할을 수행한다.
도 12 는 본 발명에 의한 촉각 입출력 장치를 휴대장치에 적용한 실시 예를 나타내는 도면이다.
도 12 에 도시한 바와 같이, 촉각 입출력 장치(1000)는 mp3 플레이어나, 휴대용 카세트, 휴대용 동영상 플레이어 등과 같은 휴대용 미디어 재생기(1220)의 조작버튼의 일부 또는 전체를 대체하여 활용될 수 있다. 이때 촉각 입출력 장치(1000)의 효율적인 전원 관리를 위하여 외부에 별도의 전원조작키(1210)를 둘 수 있다. 휴대용 미디어 재생기(1220)에 내장된 촉각 입출력 장치(1000)는 각종 조작을 위한 버튼의 역할뿐 아니라 조작 후의 동작상태를 촉각적으로 전달하여 눈으로 보지 않고 손으로 만져보고 확인할 수 있도록 하는 역할을 할 수 있다.
또한 촉각 입출력 장치(1000)는 휴대전화기나 스마트폰 등 휴대용 통신기기(1230)의 조작 버튼의 일부 또는 모두를 대체할 수 있다. 이때 촉각 입출력 장치(1000)는 휴대폰의 번호입력 위치 혹은 손으로 잡았을 때 손가락이 닿는 측면(1250)에 배치할 수도 있다. 아울러 이때 촉각 입출력 장치(1000)의 효율적인 전원 관리를 위하여 외부에 별도의 전원조작키(1240)를 둘 수 있다. 휴대용 통신기기(1230)에 내장된 촉각 입출력 장치(1000)는 각종 조작을 위한 버튼의 역할뿐 아니라 조작 후의 동작상태를 촉각적으로 전달하여 눈으로 보지 않고 손으로 만져보고 확인할 수 있도록 하는 역할을 할 수 있다. 이때 필요에 따라서는 휴대용 통신기기(1230) 내부에 내장되어있는 진동모터와 혼용하여 촉각 정보를 전달할 수도 있다.
도 13 은 본 발명에 의한 촉각 입출력 장치를 리모콘 및 손목시계 등에 내장한 실시예를 나타내는 도면이다.
도 13은 촉각 입출력 장치(1000)가 각종 전자 제품의 소형 리모콘(1310)에 내장될 수 있다. 이때 촉각 입출력 장치(1000)의 효율적인 전원 관리를 위하여 외부에 별도의 전원조작키(1320)를 둘 수 있다. 이때 촉각 입출력 장치(1000)는 각종 조작을 위한 버튼의 역할뿐 아니라 조작 후의 동작상태를 촉각적으로 전달하여 눈으로 보지 않고 손으로 만져보고 확인할 수 있도록 하는 역할을 할 수 있다.
도 13의 또 다른 실시예는 촉각 입출력 장치(1000)가 손목 착용형 장치(1330)에 내장될 수 있다. 이때 촉각 입출력 장치(1000)는 각종 조작을 위한 버튼의 역할뿐 아니라 조작 후의 동작상태를 촉각적으로 전달하여 눈으로 보지 않고 손으로 만져보고 확인할 수 있도록 하는 역할을 할 수 있다. 또한 촉각 입출력 장치(1000)는 시각장애인용 시계에 이용되거나, 야간 시에 보안을 필요로 하는 경우 정보 전달을 위하여 활용할 수 있다. 이때 필요에 따라서는 착용형기기(1330) 내부에 내장되어 있는 진동모터와 혼용하여 촉각 정보를 전달할 수도 있다. 촉각 입출력 장치(1000)는 효율적인 전원 관리를 위하여 외부에 별도의 전원조작키(1340)을 둘 수 있다. 손목 착용형 장치(1330)는 손목에 감거나 고정하거나 부착하는 시계, 팔찌 등의 형태를 모두 포함한다.
또한, 도 13의 촉각 입출력 장치(1000)가 손목 착용형 장치(1330)의 바깥면에 배치되어 있어서 착용시에 촉감을 느끼기 위해서 손가락을 가져가야 하는 불편한 점이 있는 경우에는 촉각 입출력 장치(1000)를 촉각 출력만 낼 수 있도록 하여 손목 착용형 장치의 내면 즉 착용한 손목이 장치(1330)와 닿는 곳에 내장할 수 있다. 이를 통해, 조작 후의 동작 상태를 보다 직관적으로 확인할 수 있도록 설계하는 것도 가능하다.
도 14 는 본 발명에 의한 촉각 입출력 장치를 반지에 내장한 실시예를 나타내는 도면이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 촉각 입출력 장치(1000)는 손가락을 끼울 수 있는 홈(1420)을 가진 반지에 내장될 수 있다. 소형으로 개발된 반지 형태의 촉각 입출력 장치(1000)는 사용자가 집게 손가락에 끼고 같은 손의 엄지손가락을 이용하여 조작할 수 있는 인터페이스를 제공할 수 있다. 아울러 반지를 낀 손가락과 조작하는 손가락은 사용자의 편의에 따라 적절히 달라질 수 있으나, 하나의 손가락에 착용하고 다른 손가락을 이용해 조작하는 원리는 동일하다. 이와 같은 새로운 인터페이스는 소형 키보드와 같은 역할을 하여 실제 버튼을 누르는 것과 같은 느낌으로 각종 약속된 문자나 명령어를 입력할 수 있다. 또한, 조작 후의 동작상태를 촉각적으로 전달하여 눈으로 보지 않고 손으로 만져보고 확인할 수 있도록 하는 역할을 할 수 있다. 예를 들어 반지 형태의 촉각 입출력 장치(1000)를 이용하여 원격장치의 작동 명령을 내렸을 경우 해당 장치가 작동하면서 보내온 신호가 반지로 전달되어 특정 촉각 자극으로 조작이 성공적으로 이루어졌음을 확인할 수 있다. 아울러 멀리있는 장치의 현재 상태를 알고 싶은 경우에도 현재 상태 확인 입력을 버튼을 조작하면 장치의 동작상태가 다시 반지로 전달되어 촉각적으로 확인할 수 있게 된다.
또한, 촉각 입출력 장치(1000)를 탑재한 인터페이스를 이용하여 각종 버튼을 컴퓨터 마우스의 움직임이나 클릭 등을 대체할 수 있는 용도나 각종 기기의 사용자 인터페이스 제어용으로 사용할 수 있다.
도 14는 촉각 입출력 장치(1000)가 반지(1410)의 바깥면에 배치되어 있어서 촉감을 느끼기 위해서 손가락을 가져대야 할 필요가 있는데, 경우에 따라서는 촉각 입출력 장치(1000)를 반지의 안쪽면, 즉 반지를 낀 손가락이 반지와 닿는 면에 추가로 장착되게 함으로써 조작 후의 동작 상태를 보다 직관적으로 확인할 수 있도록 설계하는 것도 가능하다.
도 15 는 본 발명에 의한 촉각을 느끼면서 정보를 입력하기 위한 촉각 입력 방법을 나타내는 도면이다.
도 15에 도시된 바와 같이, 촉각 입출력 장치(1000)의 하나의 모터는 촉각 전달부(이하, "핀"이라고 한다.)를 누르기 전에 표면 위로 돌출된 형태(1530)의 초기 상태이며, 이때, 모터에는 전기신호(전압, 전류)가 계속 공급된다. 사용자가 모터의 도출된 핀을 누르면 핀이 점점 아래로 내려가게 되고, 이 동안에도 일정한 전기신호가 공급되고, 핀은 일정한 크기의 힘으로 계속 위로 손가락을 미는 힘을 생성하게 된다. 그리고 핀의 움직임을 측정하는 센서에 의해 핀이 중간단계에 도달한 것으로 감지되면, 공급하던 전기신호가 중단되고(1540) 동시에 핀에 걸리던 힘은 이동자와 이동축 간의 마찰력 수준으로 떨어지게 된다. 그리고 아래로 움직이던 핀이 한계 높이까지 내려가게 되면 기구적인 한계 (1550)에 도달하게 되므로, 핀은 더 이상 밀리지 않고 손가락으로 누를 때 받는 힘은 급격하게 증가하게 된다. 이와 같은 동작은 짧은 시간에 이루어지고, 사용자가 한 개의 모터 핀을 누르는 동안 실제의 버튼을 누르는 듯한 느낌을 전달할 수 있게 된다.
도 16 은 본 발명에 의한 촉각 입출력 하우징부를 다수의 입력버튼으로 이용하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 16에 도시한 바와 같이, 촉각 입출력 장치의 개별 핀은 도 14에서 설명한 바와 같이 각각의 버튼으로 동작하게 할 수 있다. 예를 들어, 도 15에 도시한 바와 같이 3x3 행렬로 9개를 배치하였을 경우, 미디어 플레이어의 조작 버튼(1610)으로 활용할 수 있다. 가운데 버튼은 재생 및 정지, 오른쪽 버튼은 앞으로 감기 혹은 다음곡, 왼쪽 버튼은 뒤로 감기 혹은 전곡, 위쪽 버튼은 소리를 키우고, 아래 버튼은 소리를 낮추는 기능으로 사용할 수 있다.
또한, 문자입력을 위한 키패드(1620)로 적용하여 사용할 수도 있다. 또한 각종 방향입력을 위한 입력기(1630)로도 사용할 수 있는데, 이를 통해, 컴퓨터나 각종 전자제품들을 조작하는 역할을 할 수 있게 한다.
이때, 외부로 돌출된 개별 핀들이 손가락의 움직임에 방해를 일으킬 수도 있으므로 얇은 비닐이나 플라스틱 등의 재료를 이용하여 피부와 접촉하는 부분을 가공할 수 있다.
한편, 촉각 입출력 장치는 필요한 모드가 설정되면 필요한 촉각 입출력 모터가 돌출되는 특징으로 가진다. 즉, 휴대폰 이용에 있어서, 게임 실행 모드가 설정되면, 촉각 입출력 장치의 촉각 입출력 모터는 오락에 필요한 버튼, 예를 들어, 상하좌우 방향버튼에 해당하는 모터를 다른 모터들에 비해 상부로 돌출되도록 한다.
이와 같이, 모드설정에 따라 필요한 모터가 돌출하는 기능은 본원발명에 의한 촉각 입출력 장치를 내장하여 입출력 장치로 이용하는 다양한 전자장치에 이용될 수 있다. 예를 들어, 휴대폰, 리모콘, 반지, 팔지 등에 적용될 수 있다.
도 17 은 본 발명에 의해 촉각 재생 버튼을 활용하는 예를 나타내는 도면이다.
도 16에 설명한 바와 같이, 촉각 입출력 장치(1000)는 미디어 재생기(1101)의 조작 버튼으로 활용할 수 있다. 이때, 촉각 입출력 장치(1000)는 미디어 재생기의 조작 후 동작 상태를 촉각적으로 확인할 수 있는 기능을 수행할 수도 있다.
촉각 입출력 장치(1000)의 버튼(11710)을 누르면, 미디어 재생기가 동작을 하게 된다. 그러나 이때 장치의 동작 상태를 눈으로 보고 확인해야 하는 경우가 빈번한데, 재생버튼을 누른 후 촉각 입출력 장치(1000)의 외곽 핀들이 회전방향으로 돌출하도록 하여 재생상태를 표현할 수 있다. 재생 중인 경우 시계방향으로 순차적으로 핀들이 돌출하였다가 들어가고, 역방향 재생중일 경우 반대 방향으로 회전할 수 있다.
다음 곡으로 가거나 앞으로 감기를 할 경우 시계방향으로 더 빠른 속도로 회전하고, 이전 곡으로 이동하거나 뒤로 감길 경우 반 시계방향으로 빠르게 순차적으로 핀이 움직이면서 회전한다. 이를 통해, 사용자는 조작과 동시에 촉각을 통해 현재의 동작상태를 촉감으로 알 수 있게 된다. 또한, 현재의 동작상태의 확인을 하는 경우에도 같은 방법으로 정보를 알려줄 수 있게 된다. 이러한 원리는 다양한 분야에서 적용될 수 있다.
도 18 은 본 발명에 의한 촉각 자극 출력을 나타내는 도면이다.
촉각 입출력 장치(1000)는 개별핀의 동작 여부를 이용하여 각종 정보를 전달할 수 있다. 촉각 입출력 장치의 동작 패턴(1810)은 현재 동작이 잘되고 있거나, 명령의 전달이 잘 되었음을 확인하는 등 긍정적인 정보를 전달하는 목적으로 사용할 수 있다. 또한, 내려진 명령이 현재 처리중임을 의미하도록 순차적으로 회전하면서 자극을 주다가 명령이 완료된 후 모든 핀이 동시에 움직이면서 촉각 자극을 전달하는 것도 가능하다. 동작 패턴은 원형이나 사각형 등의 모양을 형성할 수 있는데, 이때 동작을 하는 핀은 수직방향으로 운동하여 위치가 고정되도록 하여 사용자가 손으로 만져보아서 알 수 있다. 다른 방법으로 핀이 수직방향으로 진동하게 함으로써 손을 대기만 하여도 정확한 패턴을 인지하게 할 수 있다. 이때 핀들의 수직 방향 진동 주파수는 일반적으로 0.1~5Hz범위 혹은 20~40Hz이내로 결정되는 것이 바람직하다. 그 이유는 압력과 무늬를 느끼는 신경 전달경로가 0.1~5Hz 범위에서 가장 민감하며, 무늬를 느끼는 신경 전달경로는 20~40Hz 범위에서 민감할 수 있기 때문이다. 이때의 핀 배열은 모든 핀이 동시에 수직방향으로 움직여 촉각 패턴을 전달할 수도 있으며, 개별 핀이 순차적으로 동작하여 무늬를 느끼게 할 수도 있다.
또한, 금지나 정지, 잘못된 명령 등 부정적인 의미를 전달하는 것을 목적으로 X 모양의 패턴(1820)을 형성하여 촉각을 통해 정보를 전달할 수 있다.
또한, 도 18에 도시한 바와 같이 촉각 입출력 장치(1000)의 한 열이 동시에 움직이면서 각각의 열이 순차적으로 움직이게 하는 패턴(1703)을 사용함으로써 물결이 흐르는 듯한 정보를 전달할 수 있다. 이러한 동작은 현재의 명령이 진행중에 있음을 의미하는 촉각 패턴으로 사용할 수 있다. 또한 목적에 따라서는 전후좌우 등 이동방향을 표시하기 위한 목적으로 사용할 수 있다. 재생 중일 경우 보통의 물결이 앞으로 감기거나 다음 곡으로 이동할 때는 빠른 물결로, 뒤로 감거나 전곡으로 이동할 경우 역방향 물결로 재생되어 촉각적으로 정보를 전달할 수도 있다.
도 19 는 본 발명에 의한 음향 표시기의 동작을 설명하는 도면이다.
도 19 에 도시한 바와 같이, 촉각 입출력 장치의 촉각 출력기능만을 활용하여 재생 중인 소리의 음향 특성을 촉각적으로 재현할 수 있다. 음원 특성은 왼쪽 그림과 같이 주파수 대역에 따른 강도로 표현된다. 이러한 주파수에 따른 음의 강도 표시를 촉각 입출력 장치의 열과 반응하는 열의 개수로 표현할 수 있다. 즉, 첫번째 주파수 영역(f1)은 핀 배열의 1열(1940)에 대응시키고, 다음 주파수 영역(f2)는 다음 2 열(1950)에 순차적으로 대응시킨다. 그리고 일정강도(1970) 이상의 음은 별도의 구조(1920)에 진동기(1930)를 부착하여 특정 크기 이상의 소리의 세기를 표현할 수 있다.
이와 같은 원리로 음악을 촉각적으로 감상할 수 있으며, 특히 청각장애인의 경우도 음악을 촉각적으로 감상할 수 있도록 할 수 있다.
도 20 은 본 발명에 의한 촉각 입출력이 가능한 다이얼의 동작 원리를 나타내는 도면이다.
도 20 에 도시한 바와 같이, 촉각 입출력 장치의 모터들을 다이얼의 형태의 원형으로 배치할 수 있다. 다이얼 형태로 각종 기기(2010)에 내장된 다수의 촉각 입출력 모터는 초기 상태에는 약간 표면 위로 돌출 되도록 하고, 손가락(2020)을 접촉하는 순간 핀이 눌러지면서 손가락이 접촉하였음을 인지한다. 그리고 동시에 양쪽으로 각각 1~3개 정도의 핀이 솟아오르게 한다. 그리고, 다이얼을 따라서 손가락을 움직여 튀어나온 핀을 누르면서 촉각적인 느낌을 받고 주변의 핀이 계속 올라와서 다이얼을 돌리는 느낌을 촉각적으로 재현하게 된다. 이때, 핀이 직접 튀어나와 있을 경우 피부에 어색한 느낌을 전달할 경우 핀 상부에 얇은 비닐이나 플라스틱 등을 씌워서 부드럽게 다이얼을 조작하는 느낌을 재현할 수 있다.
도 21 은 본 발명에 의한 촉각 입출력이 가능한 다이얼의 동작 순서를 나타내는 도면이다.
도 21에 도시한 바와 같이, 촉각입출력다이얼(2040)은 모든 핀이 버튼 역할과 촉각 자극기 역할을 동시에 하며, 초기에는 어떤 핀이든 눌러지기를 기다린다. 그리고 사용자가 손가락으로 어떤 하나의 핀을 누르면(S2100), 주변의 핀들이 튀어 올라와서 대기하게 된다(S2110). 이때, 다시 손으로 문지르기 시작하여 누르고 있던 핀을 벗어나면(S2130) 눌려졌던 핀은 원위치로 복귀하게 된다(S2140). 그리고 다시 새로운 핀이 눌려지는 신호를 받을 준비를 하게 된다.
도 22 는 본 발명에 의한 버튼을 누르는 느낌을 재현하는 펜형 인터페이스의 하나의 예를 나타낸다.
도 22에 도시한 바와 같이, 터치스크린(2220)을 내장한 각종 단말기(2210)의 버튼(2230)을 누르는 느낌을 사실적으로 구현하기 위하여 스타일러스(2240)에 촉각입출력 모터(2260)를 내장할 수 있다.
터치스크린 내의 버튼을 누르는 동안 스타일러스(2240)의 끝부분의 핀이 밀려서 안으로 들어가다가 어느 정도 수준에 이르면, 전기공급을 차단함으로써 버튼을 누르는 듯한 느낌을 재현하는 것이 가능하다.

Claims (30)

  1. 전기 신호에 의해 변위가 발생하는 트랜스듀서;
    상기 트랜스듀서에 연결되어 상기 트랜스듀서의 변위에 따라 수직운동하는 이동축;
    상기 이동축을 감싸는 형태로 이루어지고 상기 전기신호에 따라 이동하는 이동자;
    상기 이동자의 상부면에 구비되어 상기 이동자의 이동에 따라 피부가 접촉하는 접촉면에 촉각을 전달하고, 상기 접촉면으로부터 전달되는 압력을 상기 이동자에 전달하여 이동자가 아래로 이동하도록 하는 촉각전달부;
    상기 아래로 이동하는 이동자의 접촉을 감지하여 촉각에 의한 입력신호로 출력하는 접촉센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 소형 촉각 입출력 모터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기신호는 초음파 영역의 전기신호이고, 상기 트랜스듀서는 압전물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 소형 촉각 입출력 모터.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 접촉센서는
    상기 트랜스듀서와 상기 이동자 사이의 상기 이동축에 위치하는 것을 특징으로 하는 소형 촉각 입출력 모터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 이동자의 하부면에 형성되어 상기 이동자의 이동을 상기 접촉센서에 전달하는 접촉부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소형 촉각 입출력 모터.
  5. 초음파 영역의 전기 신호에 의해 변위가 발생하는 트랜스듀서;
    상기 트랜스듀서에 연결되어 상기 트랜스듀서의 변위에 따라 수직방향으로 미세한 왕복운동을 하는 이동축;
    상기 이동축을 감싸는 형태로 이루어지고 상기 이동축의 왕복운동에 따라 상하로 이동하는 이동자;
    상기 이동자의 상부면에 구비되어 상기 이동자의 이동에 따라 피부가 접촉하는 접촉면에 촉각을 전달하고, 상기 접촉면으로부터 전달되는 압력을 상기 이동자에 전달하여 이동자가 아래로 이동하도록 하는 촉각전달부;
    상기 압력에 의한 상기 이동자의 이동 변위를 측정하여 미리 설정된 변위가 발생하면 촉각에 의한 입력신호로 출력하는 변위측정센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 소형 촉각 입출력 모터.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 변위측정센서는
    상기 이동자의 하부면에 고정된 이동핀;
    상기 이동핀의 변위에 따라 발생하는 전류 및 전압의 변화에 따라 촉각에 의한 입력신호를 출력하는 전기유도부를 포함하는 것을 특징으로 하는 소형 촉각 입출력 모터.
  7. 전기 신호에 의해 변위가 발생하는 트랜스듀서;
    상기 트랜스듀서에 연결되어 상기 트랜스듀서의 변위에 따라 수직운동하는 이동축;
    상기 이동축을 감싸는 형태로 이루어지고 상기 전기신호에 따라 이동하는 이동자;
    상기 이동자의 상부면에 구비되어 상기 이동자의 이동에 따라 피부가 접촉하는 접촉면에 촉각을 전달하고, 상기 접촉면으로부터 전달되는 압력을 상기 이동자에 전달하여 이동자가 아래로 이동하도록 하는 촉각전달부;
    상기 이동자의 하부면에 고정된 이동핀의 움직임을 광을 이용하여 측정하여 촉각에 의한 입력신호를 출력하는 광센서를 포함하는 소형 촉각 입출력 모터.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 광센서는
    빛을 발광하는 발광부;
    상기 발광부에서 발광된 빛이 상기 이동핀의 움직임에 의해 변화된 정도를 감지하여 촉각에 의한 입력신호를 출력하는 수광부를 포함하는 것을 특징으로 하는 소형 촉각 입출력 모터.
  9. 전기 신호에 의해 변위가 발생하는 트랜스듀서;
    상기 트랜스듀서에 연결되어 상기 트랜스듀서의 변위에 따라 수직운동을 하여 피부가 접촉하는 접촉면에 촉각을 전달하고, 상기 접촉면으로부터 전달되는 압력에 따라 아래로 이동하는 이동축;
    상기 이동축을 감싸는 형태로 이루어지고 상기 피부가 접촉하는 접촉면에 고정되는 이동자;
    상기 압력에 의한 상기 이동축의 이동 변위를 측정하여 미리 설정된 변위가 발생하면 촉각에 의한 입력신호로 출력하는 감지센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 소형 촉각 입출력 모터.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 감지센서는
    상기 압력에 의한 상기 이동체의 이동에 따라 아래로 이동하는 상기 트랜스듀서의 접촉을 감지하여 촉각에 의한 입력신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 소형 촉각 입출력 모터.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 감지센서는
    상기 이동축에 연결된 이동핀이 아래로 이동함에 따라 접촉이 감지되면 촉각에 의한 입력신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 소형 촉각 입출력 모터.
  12. 초음파 영역의 전기신호에 의한 선형운동을 이용해 접촉면에 촉각을 전달하고, 상기 접촉면으로부터 전달되는 압력을 감지하여 촉각에 의한 입력신호를 출력하는 촉각 입출력 모터를 복수 개 구비하는 촉각 입출력 하우징부;
    상기 복수 개의 촉각 입출력 모터에 전원을 공급하는 촉각전원 공급부;
    상기 초음파 입출력 모터에 입력되는 전기신호를 제어하고, 상기 출력되는 촉각에 의한 입력신호를 수신하는 제어부;
    상기 복수의 촉각 입출력 모터의 제어신호를 수신하여 상기 제어부에 전달하고, 상기 수신된 촉각에 의한 입력신호를 송신하는 송수신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각 입출력 장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 촉각 입출력 모터는
    상기 전기 신호에 의해 변위가 발생하는 트랜스듀서,
    상기 트랜스듀서에 연결되어 상기 트랜스듀서의 변위에 따라 수직운동하는 이동축;
    상기 이동축을 감싸는 형태로 이루어지고 상기 전기신호에 따라 이동하는 이동자;
    상기 이동자의 상부면에 구비되어 상기 이동자의 이동에 따라 피부가 접촉하는 접촉면에 촉각을 전달하고, 상기 접촉면으로부터 전달되는 압력을 상기 이동자에 전달하여 이동자가 아래로 이동하도록 하는 촉각전달부;
    상기 아래로 이동하는 이동자의 접촉을 감지하여 촉각에 의한 입력신호로 출력하는 접촉센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각 입출력 장치.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 촉각 입출력 모터는
    초음파 영역의 전기 신호에 의해 변위가 발생하는 트랜스듀서;
    상기 트랜스듀서에 연결되어 상기 트랜스듀서의 변위에 따라 수직방향으로 미세한 왕복운동을 하는 이동축;
    상기 이동축을 감싸는 형태로 이루어지고 상기 이동축의 왕복운동에 따라 상하로 이동하는 이동자;
    상기 이동자의 상부면에 구비되어 상기 이동자의 이동에 따라 피부가 접촉하는 접촉면에 촉각을 전달하고, 상기 접촉면으로부터 전달되는 압력을 상기 이동자에 전달하여 이동자가 아래로 이동하도록 하는 촉각전달부;
    상기 압력에 의한 상기 이동자의 이동 변위를 측정하여 미리 설정된 변위가 발생하면 촉각에 의한 입력신호로 출력하는 변위측정센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각 입출력 장치.
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 촉각 입출력 모터는
    전기 신호에 의해 변위가 발생하는 트랜스듀서;
    상기 트랜스듀서에 연결되어 상기 트랜스듀서의 변위에 따라 수직운동을 하여 피부가 접촉하는 접촉면에 촉각을 전달하고, 상기 접촉면으로부터 전달되는 압력에 따라 아래로 이동하는 이동축;
    상기 이동축을 감싸는 형태로 이루어지고 상기 피부가 접촉하는 접촉면에 고정되는 이동자;
    상기 압력에 의한 상기 이동축의 이동 변위를 측정하여 미리 설정된 변위가 발생하면 촉각에 의한 입력신호로 출력하는 감지센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각 입출력 장치.
  16. 제 13 내지 제 15 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 복수의 촉각 입출력 모터는
    각각의 이동축의 길이를 이웃하는 촉각 입출력 모터의 이동축의 길이와 다르게 하여 엇갈리도록 배치하는 것을 특징으로 하는 촉각 입출력 장치.
  17. 제 12 항에 의한 촉각 입출력 장치를 내장하여 신호입출력에 이용하는 촉각 입출력 장치를 구비한 휴대폰.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 휴대폰에 설정되는 기능에 따라 이에 대응되는 적어도 하나 이상의 촉각 입출력 모터가 상승하여 준비상태를 이루는 것을 특징으로 하는 촉각 입출력 장치를 구비한 휴대폰.
  19. 제 17 항에 있어서, 상기 휴대폰은
    상기 촉각 입출력 장치의 촉각 입출력 하우징부를 통해 입력된 정보에 따라 상기 휴대폰의 동작 상태를 확인할 수 있는 신호를 미리 정해진 패턴에 따라 상기 촉각 입출력 하우징부를 통해 출력하는 것을 특징으로 하는 촉각 입출력 장치를 구비한 휴대폰.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 휴대폰의 동작 상태는
    상기 촉각 입출력 하우징부의 복수의 촉각 입출력 모터가 시계방향으로 회전하면서 돌출하도록 하여 상기 휴대폰의 동작 상태의 정상을 확인하는 것을 특징으로 하는 촉각 입출력 장치를 구비한 휴대폰.
  21. 제 17 항에 있어서,
    상기 촉각 입출력 장치의 복수의 촉각 입출력 모터들이 상기 휴대폰의 일면에 다이얼 형태의 원형으로 배치되는 것을 특징으로 하는 촉각 입출력 장치를 구비한 휴대폰.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 촉각 입출력 장치는 접촉이 감지되면, 이웃하는 촉각 입출력 모터가 상승하는 것을 특징으로 하는 촉각 입출력 장치를 구비한 휴대폰.
  23. 제 12 항에 의한 촉각 입출력 장치를 내장하여 전자제품을 제어하는 촉각 입출력 장치를 구비한 리모콘.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 리모콘에 의해 제어하고자 하는 모드에 따라 이에 대응하는 적어도 하나 이상의 촉각 입출력 모터가 상승하여 준비상태를 이루는 것을 특징으로 하는 촉각 입출력 장치를 구비한 리모콘.
  25. 제 12 항에 의한 촉각 입출력 장치를 내장하여 신호 입출력 기능을 수행하는 촉각 입출력 장치를 구비한 반지.
  26. 제 21 항에 있어서,
    상기 촉각 입출력 장치의 복수의 촉각 모터가 상기 반지의 안쪽면에 내장하여 상기 반지를 낀 손가락에 직접 촉각을 전달하는 촉각 입출력 장치를 구비한 반지.
  27. 제 12 항에 의한 촉각 입출력 장치를 내장하여 신호 입출력 기능을 수행하는 촉각 입출력 장치를 구비한 손목장치.
  28. 제 12 항에 의한 촉각 입출력 장치를 내장하여 재생 중인 소리의 특성을 파악하여 주파수 대역에 따라 미리 정해지 촉각 입출력 모터를 구동하는 것을 특징으로 하는 촉각 입출력 장치를 구비한 음향 표시기.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 파악된 소리의 주파수 대역이 일정 주파수를 초과하는 경우에는 별도 진동기를 이용하여 촉각을 전달하는 것을 특징으로 하는 촉각 입출력 장치를 구비한 음향 표시기.
  30. 초음파 영역의 전기신호에 의한 선형운동을 이용해 접촉면에 촉각을 전달하고, 상기 접촉면으로부터 전달되는 압력을 감지하여 촉각에 의한 입력신호를 출력하는 촉각 입출력 모터에 있어서,
    상기 촉각 입출력 모터에 전기신호를 공급하는 단계;
    상기 전달되는 압력에 의해 발생하는 상기 촉각 입출력 모터의 이동축의 움직임을 측정하는 단계;
    상기 이동축이 미리 설정된 위치까지 움직이면 상기 전기신호 공급을 중단하는 단계;
    상기 이동축이 상기 촉각 입출력 모터의 감지센서에 접촉하면 촉각에 의한 입력신호를 출력하는 단계를 포함하는 촉각 입출력 방법.
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