KR20090048215A - Thin type device for tactile feedback - Google Patents
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Abstract
본 발명은 박형 촉감장치에 관한 것으로서, 사용자의 피부가 접근되는 상부판과, 강자성체로 이루어진 하부판을 갖는 하우징; 상기 하우징의 내측에 출몰할 수 있도록 장착되되, 상기 하우징의 상부판으로부터 그 선단이 돌출 시 사용자의 피부에 접촉되고, 상기 하우징의 내측으로 그 선단이 몰입 시 상기 하부판에 근접 또는 부착되는 영구자석이 후단에 구비된 터치핀; 상기 상부판과 상기 하부판 사이에 장착되되, 상기 다수의 터치핀 중 일부와 고정적으로 관통되고, 상기 다수의 터치핀 중 나머지와 유동적으로 관통되며, 상기 고정적으로 관통된 터치핀의 영구자석이 상기 하부판에 근접 또는 부착되어 상기 터치핀의 몰입 시 탄성변형되어 탄성 에너지를 갖는 탄성수단; 및 상기 탄성수단의 표면에 구비되되, 전류 미인가 시 상기 터치핀의 영구자석이 상기 하부판에 근접 또는 부착됨에 따라 상기 탄성수단과 함께 변형되고, 전류 인가 시 상기 터치핀의 선단이 상기 상부판으로부터 돌출되도록 상기 터치핀의 영구자석이 상기 하부판으로부터 멀어지게 상기 탄성수단과 함께 복원되는 리니어 액츄에이션 수단;을 포함한다. The present invention relates to a thin tactile device, comprising: a housing having an upper plate to which a user's skin is accessed, and a lower plate made of ferromagnetic material; The permanent magnet is mounted so as to be protruded inside the housing, and the front end of the housing is in contact with the user's skin when protruding from the upper plate, and the front end of the housing is proximate or attached to the lower plate when the tip is immersed into the housing. Touch pins provided at the rear end; It is mounted between the upper plate and the lower plate, and fixedly penetrates with some of the plurality of touch pins, fluidly penetrates with the rest of the plurality of touch pins, the permanent magnet of the fixedly penetrated touch pin is the lower plate Elastic means having elastic energy when elastically deformed when the touch pin is immersed; And provided on the surface of the elastic means, and when the current is not applied, the permanent magnet of the touch pin is deformed together with the elastic means by being close to or attached to the lower plate, and when the current is applied, the tip of the touch pin protrudes from the upper plate. And linear actuating means for restoring the elastic magnets together with the elastic means so that the permanent magnets of the touch pin are separated from the lower plate.
박형, 촉감, 터치핀, 탄성수단 Thin, touch, touch pin, elastic means
Description
본 발명은 박형 촉감장치에 관한 것으로, 특히 사용자의 피부를 자극하여 사용자에게 실감 있는 촉감을 주기 위한 박형 촉감장치에 관한 것이다. The present invention relates to a thin tactile device, and more particularly, to a thin tactile device for stimulating the user's skin to give the user a realistic feel.
일반적으로, 햅틱장치(Haptic Device)는 가상현실, 시뮬레이션(Simulation), 착용용 컴퓨터(Wearable Computers), 로보틱스(Robotics), 의료용 등 다양한 분야에 활용되고 있으며, 햅틱인터페이스(Haptic Interface)라고도 한다. In general, a haptic device is used in various fields such as virtual reality, simulation, wearable computers, robotics, and medical, and is also called a haptic interface.
이러한 햅틱장치는 근육, 관절에 물리적인 힘을 전달해 주는 역감장치(Force Feedback Device)와, 피부에 접촉되어 있는 기계수용체(Mechano Receptor)를 통하여 질감, 온도, 압력, 진동, 통증 등과 같은 피부 자극을 전달하는 촉감장치(또는 촉감제시장치(Tactile Display)로 구분된다. These haptic devices use skin feedback mechanisms that transmit physical forces to muscles and joints, and mechanical receptors that come into contact with the skin to stimulate skin irritation such as texture, temperature, pressure, vibration, and pain. It is divided into a tactile device (or a tactile display).
여기서, 촉감장치는 피부 자극에 의하여 사용자에게 실제 물체의 질감과 같은 사실적인 힘(Realistic Force)을 구현하는 촉감기술(Tactile Technology)을 구비하는 것이 중요하며, 이상적인 촉감의 인지를 위해 피부를 자극하는 포인트(Point)들 사이의 간격을 1.3mm 이하로 배열하는 것이 유리하다고 알려져 있다. Here, it is important that the haptic device has a tactile technology that realizes a realistic force such as the texture of an actual object to the user by stimulating the skin, and it is important to stimulate the skin to recognize the ideal touch. It is known to arrange the spacing between the points below 1.3 mm.
촉감장치의 일례로 미국 특허출원공개 제2006/0012576A1호의 다층 터치 디스 플레이 장치(Multi-layer Touch Display Device)가 개시되어 있다. As an example of a tactile device, a multi-layer touch display device of US Patent Application Publication No. 2006 / 0012576A1 is disclosed.
이 특허 문헌의 다층 터치 디스플레이 장치는 터치플레이트(Touch Plate), 자력을 갖는 복수개의 촉감 변경 구성요소(Tactile Sensation Modification Component)들과 복수개의 코일(Coil)들로 구성된다.The multi-layer touch display device of this patent document is composed of a touch plate, a plurality of tactile sensation modification components with magnetic force, and a plurality of coils.
상술한 촉감 변경 구성요소들은 터치플레이트에 작동할 수 있도록 장착되고, 코일에 인가되는 전류의 방향에 따라 진동되며, 터치플레이트의 진동에 의하여 사용자의 손 또는 손가락이 자극됨에 따라 사용자는 스크린에 표시되는 물체의 촉감을 느낄 수 있다. The above-described tactile change components are mounted to operate on the touch plate, are vibrated according to the direction of the current applied to the coil, and the user is displayed on the screen as the user's hand or finger is stimulated by the vibration of the touch plate. You can feel the touch of an object.
그러나 상기한 특허 문헌의 촉감장치는 촉감 변경 구성요소들의 블레이드(Blade)가 그 기구적인 구조에 의하여 큰 면적으로 제작되고 있으므로, 피부를 자극하는 포인트들의 간격이 멀게 떨어져 실감 있는 촉감을 구현하는데 미흡한 문제가 있다. However, the tactile device of the above-mentioned patent document is made of a large area by the mechanical structure of the tactile change components, so the distance between the points stimulating the skin is far from the distance is insufficient to realize a realistic touch There is.
특히, 코일과 블레이드의 하면에 장착되어 있는 자석으로 구성되는 전자기 장치가 차지하는 면적에 의하여 소형화가 매우 곤란한 문제가 있다. In particular, there is a problem that miniaturization is very difficult due to the area occupied by an electromagnetic device composed of a magnet mounted on the lower surface of the coil and the blade.
또한, 블레이드는 아암(Arm)들에 의하여 터치플레이트에 지지되어 있고, 전자기 장치의 코일이 평판형으로 구성되어 있기 때문에 구현할 수 있는 변위와 힘에 많은 제약을 받는 단점이 있다. In addition, the blade is supported on the touch plate by the arms (Arms), and since the coil of the electromagnetic device is configured in a flat form, there is a disadvantage in that a lot of limitations in the displacement and force that can be realized.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 전류인가 여부에 따라 터치핀이 출몰되도록 변형 또는 복원되는 리니어 액츄에이션 수단과 탄성수단의 연동 구조에 의하여 실재감 있는 촉감을 구현할 수 있을 뿐만 아니라 촉감장치의 전체적인 두께를 획기적으로 줄임에 따라 소형 전자장치에 내장될 수 있고, 제어성을 향상시킬 수 있으며, 저전력 및 고출력의 박형 촉감장치를 제공함에 있다. The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to realize a realistic touch by the interlocking structure of the linear actuating means and the elastic means that is deformed or restored so that the touch pin is retracted depending on whether the current is applied. In addition, as the overall thickness of the haptic device is dramatically reduced, it can be embedded in a small electronic device, improve controllability, and provide a low power and high output thin tactile device.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 박형 촉감장치는, 사용자의 피부가 접근되는 상부판과, 강자성체로 이루어진 하부판을 갖는 하우징; 상기 하우징의 내측에 출몰할 수 있도록 장착되되, 상기 하우징의 상부판으로부터 그 선단이 돌출 시 사용자의 피부에 접촉되고, 상기 하우징의 내측으로 그 선단이 몰입 시 상기 하부판에 근접 또는 부착되는 영구자석이 후단에 구비된 터치핀; 상기 상부판과 상기 하부판 사이에 장착되되, 상기 다수의 터치핀 중 일부와 고정적으로 관통되고, 상기 다수의 터치핀 중 나머지와 유동적으로 관통되며, 상기 고정적으로 관통된 터치핀의 영구자석이 상기 하부판에 근접 또는 부착되어 상기 터치핀의 몰입 시 탄성변형되어 탄성 에너지를 갖는 탄성수단; 및 상기 탄성수단의 표면에 구비되되, 전류 미인가 시 상기 터치핀의 영구자석이 상기 하부판에 근접 또는 부착됨에 따라 상기 탄성수단과 함께 변형되고, 전류 인가 시 상기 터치핀의 선단이 상 기 상부판으로부터 돌출되도록 상기 터치핀의 영구자석이 상기 하부판으로부터 멀어지게 상기 탄성수단과 함께 복원되는 리니어 액츄에이션 수단;을 포함한다. In order to achieve this technical problem, the thin tactile device of the present invention, the housing having a top plate and a bottom plate made of a ferromagnetic material to the user's skin; The permanent magnet is mounted so as to be protruded inside the housing, and the front end of the housing is in contact with the user's skin when protruding from the upper plate, and the front end of the housing is proximate or attached to the lower plate when the tip is immersed into the housing. Touch pins provided at the rear end; It is mounted between the upper plate and the lower plate, and fixedly penetrates with some of the plurality of touch pins, fluidly penetrates with the rest of the plurality of touch pins, the permanent magnet of the fixedly penetrated touch pin is the lower plate Elastic means having elastic energy when elastically deformed when the touch pin is immersed; And provided on the surface of the elastic means, and when the current is not applied, the permanent magnet of the touch pin is deformed together with the elastic means as the proximal or attached to the lower plate, and when the current is applied, the tip of the touch pin is removed from the upper plate. And linear actuation means for restoring together with the elastic means so that the permanent magnet of the touch pin is protruded away from the lower plate so as to protrude.
바람직하게, 상기 리니어 액츄에이션 수단은, 형상기억합금(SMA, shape memory alloy)으로 구성된다. Preferably, the linear actuating means is made of a shape memory alloy (SMA).
바람직하게, 상기 리니어 액츄에이션 수단은, 전기작동 폴리머(EAP, electro active polymer)로 구성된다. Preferably, the linear actuation means is composed of an electro active polymer (EAP).
바람직하게, 상기 리니어 액츄에이션 수단은, 전류 인가 시 부피가 줄어드는 물질 또는 전류 인가 시 휘는 물질로 구성된다. Preferably, the linear actuating means is composed of a material which decreases in volume when a current is applied or a material that bends when a current is applied.
바람직하게, 상기 리니어 액츄에이션 수단은, 피에조 물질(piezo material)로 구성된다. Preferably, the linear actuation means is composed of a piezo material.
바람직하게, 상기 탄성수단은, 플레이트형상으로서, 상기 다수의 터치핀 중 일부와 고정적 관통을 위한 고정홀과, 상기 다수의 터치핀 중 나머지와 유동적 관통을 위한 유동홀이 형성되고, 상기 고정홀의 주위에 탄성변형을 위한 슬롯이 형성된다.Preferably, the elastic means has a plate shape, a portion of the plurality of touch pins and a fixed hole for fixed penetration, the remaining of the plurality of touch pins and a flow hole for fluid penetration is formed, the periphery of the fixing hole Slots are formed in the elastic deformation.
이때, 상기 다수의 터치핀 중 나머지는, 상기 유동홀 또는 상기 슬롯을 통해 유동적으로 관통될 수 있다. In this case, the rest of the plurality of touch pins may be fluidly penetrated through the flow hole or the slot.
한편, 상기 탄성수단은, 복수개가 적층되고, 상기 복수개의 탄성수단들 사이에는 간격의 유지를 위한 메인스페이서가 각각 개재된다. On the other hand, a plurality of elastic means is stacked, the main spacer for maintaining the spacing between the plurality of elastic means, respectively.
또한, 상기 각각의 탄성수단은, 상기 슬롯의 형성에 의하여 상기 고정홀의 주위에 일점 지지되는 탄성변형부가 형성되고, 상기 각각의 고정홀을 중심으로 상 기 탄성변형부가 등간격을 이루도록 형성된다. In addition, each of the elastic means, by the formation of the slot is formed an elastic deformation portion is supported around the fixing hole, the elastic deformation portion is formed so as to form an equal interval around each of the fixing holes.
바람직하게, 상기 하우징의 상부판은, 상기 터치핀들이 통과될 수 있는 관통홀이 형성된다. Preferably, the upper plate of the housing is formed with a through hole through which the touch pins can pass.
바람직하게, 상기 터치핀의 운동을 직선운동으로 안내할 수 있도록 상기 하우징의 내측에 장착된 리니어모션 가이드를 더 구비하고, 상기 리니어모션 가이드는 상기 터치핀이 안내되도록 끼워지는 가이드홀이 형성된다. Preferably, the apparatus further includes a linear motion guide mounted inside the housing to guide the movement of the touch pin in a linear motion, and the linear motion guide is formed with a guide hole into which the touch pin is guided.
바람직하게, 상기 리니어 액츄에이션 수단의 복원력은, 상기 터치핀의 영구자석이 상기 하부판에 근접되는 근접력 또는 부착되는 부착력보다 크도록 구성된다. Preferably, the restoring force of the linear actuating means is configured such that the permanent magnet of the touch pin is larger than the proximity force attached to the lower plate or the attachment force.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 전류인가 여부에 따라 터치핀이 출몰되도록 변형 또는 복원되는 리니어 액츄에이션 수단과 탄성수단의 연동 구조에 의하여 터치핀들이 사용자의 피부를 자극하여 촉감을 구현할 수 있다. According to the present invention as described above, the touch pins by the interlocking structure of the linear actuating means and the elastic means that is deformed or restored so that the touch pins appear in accordance with the application of the current can be implemented to touch the user's skin.
또한, 촉감장치의 전체적인 두께를 획기적으로 줄임에 따라 소형 전자장치에 내장될 수 있다는 이점이 있다. In addition, as the overall thickness of the haptic device is dramatically reduced, there is an advantage that it can be embedded in a small electronic device.
또한, 다수의 터치핀 간의 간격을 줄여 조밀하게 배열함으로써 실재감 있는 촉감을 구현할 수 있다. In addition, by densely arranged by reducing the distance between the plurality of touch pins can realize a realistic touch.
또한, 탄성수단의 탄성 에너지가 터치핀의 운동력을 증폭시켜 리니어 액츄에이션 수단의 저전력 및 고출력 구동이 가능하고, 간편하게 소형화할 수 있으며, 터치핀의 제어성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. In addition, the elastic energy of the elastic means amplifies the kinetic force of the touch pin to enable low-power and high output driving of the linear actuation means, can be easily downsized, and can improve the controllability of the touch pin.
또한, 다수의 터치핀 간의 간격을 줄여 조밀하게 배열함으로써 실재감 있는 촉감을 구현할 수 있다. In addition, by densely arranged by reducing the distance between the plurality of touch pins can realize a realistic touch.
본 실시예의 촉감장치는, 크게, 하우징(100), 터치핀(200), 탄성수단(300), 리니어 액츄에이션 수단(400)을 포함하여 구성된다. The haptic device of the present embodiment is largely configured to include a
상기 하우징(100)은, 촉감장치의 전체적인 외관을 이루는 부분으로서, 상기 터치핀(200), 상기 탄성수단(300), 상기 리니어 액츄에이션 수단(400)을 수용하며, 사용자의 피부(10)가 접근되는 상부판(110)과, 강자성체로 이루어진 하부판(130)이 구비된다. The
상기 터치핀(200)은, 사용자의 피부(10)에 직접적으로 접촉되어 사용자로 하여금 촉각을 느낄 수 있도록 하는 부분으로서, 상기 하우징(100)의 내측에 출몰할 수 있도록 장착된다. The
상기 탄성수단(300)은, 후술하는 리니어 액츄에이션 수단(400)에 의한 상기 터치핀(200)의 돌출을 효과적으로 작동시키기 위한 부분으로서, 상기 하우징(100)의 상부판(110)과 상기 하부판(130)의 사이에 장착된다. The
상기 리니어 액츄에이션 수단(400)은, 상기 하우징(100)의 상부판(110)으로부터 상기 터치핀(200)의 선단(202)이 출몰되도록 작동시키기 위한 부분으로서, 상기 탄성수단(300)의 표면에 구비된다. The linear actuating means 400 is a part for operating the
먼저, 하우징(100)에 대하여 설명하도록 한다. First, the
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 하우징(100)은 터치핀(200), 탄성수단(300), 리니어 액츄에이션 수단(400) 등을 내측에 수용하되, 촉감장치의 전체적인 외관을 이루는 부분으로서, 본체(120), 상부판(110), 하부판(130)으로 구성된다. As shown in FIGS. 1 and 2, the
본체(120)의 횡단면은 속이 빈 공간(120a)을 갖는 육각형으로 형성되어 있으며, 일단과 타단은 개방되어 있으며, 일단에는 상부판(110)이 장착되고, 타단에는 하부판(130)이 장착되어, 본체(120)의 빈 공간(120a)이 폐쇄될 수 있다. The cross section of the
본체(120)의 횡단면은 육각형으로 형성되어 있는 것을 도시하고 설명하였으나, 이는 예시적인 것으로 다각형, 타원형, 원형 등 다양한 형상으로 형성될 수 있음은 물론이다. Although the cross section of the
한편, 본체(120)의 일단에 장착된 상부판(110)에는 터치핀(200)들이 통과될 수 있도록 다수의 관통홀(112)이 형성되어 있으며, 사용자의 피부(10), 예컨대 손가락을 상부판(110)에 접촉시키면 관통홀(112)을 통해 돌출되는 터치핀(200)을 통해 촉감을 느낄 수 있게 된다. Meanwhile, a plurality of through
또한, 본체(120)의 타단에 장착된 하부판(130)은 강철과 같이 자석이 쉽게 부착되는 강자성체로 이루어지며, 이는, 후술하게 될 터치핀의 후단에 구비된 영구자석과의 연동을 위함이며, 이에 대해서는 터치핀의 작동에 대한 설명시 함께하도록 한다. In addition, the
본체(120)의 외면에는 커넥터(122)가 구비되며, 이 커넥터(122)는 리니어 액츄에이션 수단(400)에 인가되는 전류를 제어하는 제어수단으로 컨트롤러, 마이크로 프로세서, 컴퓨터 등과 연결되어 있다. A
상술한 바와 같이, 하우징(100)은 소정의 빈 공간(120a)을 제공함에 따라 터치핀(200), 탄성수단(300), 리니어 액츄에이션 수단(400) 등의 구성요소가 내측에 수용될 수 있게 된다. As described above, as the
다음으로, 터치핀(200)에 대하여 설명하도록 한다. Next, the
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 터치핀(200)은 상술한 하우징(100)의 내측에 구비되어 있으며, 하우징(100)의 상부판(110)에 형성된 관통홀(112)을 통해 상부판(110)으로부터 그 선단(202)이 돌출되거나 하우징(100)의 내측으로 몰입되도록 장착된다. As illustrated in FIGS. 1 and 2, the
즉, 상부판(110)에 형성된 관통홀(112)을 통해 상부판(110)으로부터 돌출되는 일부 또는 전체의 터치핀(200)의 선단(202)이 사용자의 피부(10)에 접촉됨에 따라 사용자는 촉감을 느낄 수 있게 되는 것이다. 한편, 터치핀(200)의 후단(204)에는 하우징(100)의 하부판(130)과 부착되거나 이탈되며 후술하는 탄성수단(300)과 리니어 액츄에이션 수단(400)과의 연동을 위한 영구자석(210)이 구비된다. That is, as the
도 3a에 도시된 바와 같이, 터치핀(200)의 선단(202)이 하우징(100)의 내측으로 몰입된 상태에서는 터치핀(200)의 선단(202)이 제1위치(P1)에 위치하게 되고, 도 3b에 도시된 바와 같이, 터치핀(200)의 선단(202)이 하우징(100)의 상부판(110)으로부터 돌출된 상태에서는 터치핀(200)의 선단(202)이 제2위치(P2)에 위치하게 된다. As shown in FIG. 3A, in a state where the
이때, 터치핀(200)의 선단(202)이 제1위치(P1) 또는 제2위치(P2)로 위치되는 것은 탄성수단(300)과 리니어 액츄에이션 수단(300)에 의해 이루어지며, 이러한 터치핀(200)의 동작에 대해서는 탄성수단(300)과 리니어 액츄에이션 수단(400)에 대한 설명 시 함께하도록 한다. In this case, the
상술한 바와 같이 터치핀(200)의 선단(202)이 제1위치(P1)와 제2위치(P2) 사이에서 동작하는 경우에, 터치핀(200)의 운동을 직선운동으로 안내할 수 있는 리니어모션 가이드(320)가 구비된다. As described above, when the
리니어모션 가이드(320)는 하우징(100)의 내측에 장착되어 있으며, 터치핀(200)의 후단(204), 상세하게는 터치핀(200)의 후단(204)에 구비된 영구자석(210)이 관통되도록 끼워지는 다수의 가이드홀(322)이 형성된다. The
리니어모션 가이드(320)의 횡단면은 하우징(100)의 내측에서 회전이 방지되도록 하우징(100)의 횡단면과 일치되는 육각형으로 형성되며, 하우징(100)의 횡단면이 다각형, 타원형, 원형 등으로 변형되면, 그에 따라 동일한 횡단면을 갖도록 형성된다. The cross-section of the
이처럼 하우징(100)의 내측에 회전이 방지되도록 장착된 리니어모션 가이드(320)의 다수의 가이드홀(322)에 각각 터치핀(200)이 끼워지므로, 터치핀(200)은 제1위치(P1)와 제2위치(P2) 사이에서 직선운동으로 안내될 수 있게 된다. As described above, since the touch pins 200 are inserted into the plurality of guide holes 322 of the
상술한 바와 같이, 터치핀(200)은 하우징(100)의 내측에 구비되어 하우징(100)의 상부판(110)으로부터 돌출 또는 몰입됨에 따라 사용자의 피부(10)에 접촉되어 사용자로 하여금 촉감을 느끼도록 할 수 있다. As described above, the
다음으로, 탄성수단(300)에 대하여 설명하도록 한다. Next, the
도 4a 내지 도 4f에 도시된 바와 같이, 탄성수단(300)은 하우징(100)의 내측으로 터치핀(200)이 몰입된 경우에 탄성변형되어 탄성 에너지(elastic energy)를 갖는 구성요소로서, 하우징(100)의 상부판(110)과 하부판(130) 사이에 장착된다. As shown in Figure 4a to 4f, the
탄성수단(300)은 하나 이상의 탄성플레이트로 구성되어 있으며, 다수의 터치핀(200) 중 일부의 터치핀(200)과 고정적으로 관통되고, 다수의 터치핀(200) 중 나머지 터치핀(200)과 유동적으로 관통될 수 있도록 구성된다. The elastic means 300 is composed of one or more elastic plates, and fixedly penetrates through some of the touch pins 200 of the plurality of touch pins 200, and the remaining touch pins 200 of the plurality of touch pins 200. It is configured to penetrate with fluid.
상세하게는, 상술한 탄성수단(300)은, 플레이트형상으로서, 다수의 터치핀(200) 중 일부의 터치핀(200)과 고정적 관통을 위한 고정홀(302)이 형성되고, 다수의 터치핀(200) 중 나머지 터치핀(200)과 유동적 관통을 위한 유동홀(304)이 형성되며, 상기 고정홀(302)의 주위에 탄성변형을 위한 슬롯(306)이 형성된다. 한편, 탄성수단(300)은 합성고무, 탄성력을 갖는 플라스틱, 스프링 판 등으로 제조될 수 있다. In detail, the elastic means 300 described above has a plate shape, and a plurality of touch pins 200 and fixing
예컨대, 도 4a에 도시된 바와 같이, 탄성수단(300)의 일부분에는 하나의 터치핀(200)이 고정적으로 관통되는 하나의 고정홀(302)이 형성되고, 이 고정홀(302)의 주위에 탄성변형을 위한 슬롯(306)이 나선형으로 형성되며, 이 슬롯(306)의 주변으로 고정홀(302)에 고정적으로 관통된 하나의 터치핀(200)을 제외한 나머지 터치핀(200)이 유동적으로 관통될 수 있는 다수의 유동홀(304)이 형성된다. For example, as shown in FIG. 4A, a portion of the
이와 같은 탄성수단(300)은, 도 4b 내지 도 4f에 도시된 바와 같이, 고정 홀(302)의 위치 및 갯수, 슬롯(306)의 형성 형태, 유동홀(304)의 위치 및 갯수를 다르게 하여 다양한 형상으로 형성될 수 있다. Such
한편, 탄성수단(300)은, 슬롯(306)의 형성에 의하여 고정홀(302)의 주위에 일점 지지되는 탄성변형부(308)가 형성되고, 각각의 고정홀(302)을 중심으로 탄성변형부(308)가 등간격을 이루도록 형성된다. On the other hand, the
즉, 도 4a 및 도 4b의 탄성수단(300)은 하나의 고정홀(302) 주위에 일점 지지되는 탄성변형부(308)가 등간격을 이루도록 형성되고, 도 4c 및 도 4d의 탄성수단(300)은 두개의 고정홀(302) 주위에 이점 지지되는 탄성변형부(308)가 등간격을 이루도록 형성되며, 도 4e 및 도 4f의 탄성수단(300)은 세개의 고정홀(302) 주위에 삼점 지지되는 탄성변형부(308)가 등간격을 이루도록 형성되어 있다. That is, the elastic means 300 of FIGS. 4A and 4B are formed such that
상술한 탄성수단(300)은, 도 2 및 도 6에 도시된 바와 같이, 간격을 두고 복수개가 적층되어 있으며, 복수개의 탄성플레이트들 사이에는 간격의 유지를 위한 메인스페이서(310)가 각각 개재되어 있다. 2 and 6, the plurality of
메인스페이서(310)는 탄성수단(300)의 고정홀(302), 유동홀(304), 슬롯(306)과 대응되는 부분이 개구되어 탄성수단(300)의 가장자리를 지지하는 링 형태의 부재로서, 탄성수단(300)의 탄성변형부(308)의 탄성변형을 허용할 수 있는 두께를 갖는다. The
상술한 탄성수단(300), 메인스페이서(310)는 본체(120)의 공간에 억지끼워맞춤되거나 고정수단, 예를 들어 접착제 에폭시수지(expoxy resin)에 의하여 고정될 수 있다. The elastic means 300 and the
한편, 다수의 터치핀(200) 중 일부의 터치핀(200)은 고정홀(302)에 고정적으로 관통되고, 다수의 터치핀(200) 중 나머지의 터치핀(200)은 유동홀(304)에 고정적으로 관통된다고 하였으나, 도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같이, 상기 다수의 터치핀(200) 중 나머지의 터치핀(200)은 탄성수단(300)의 슬롯(306)을 통해 유동적으로 관통될 수도 있다. Meanwhile, some of the touch pins 200 of the plurality of touch pins 200 are fixedly penetrated through the fixing
즉, 도 5a와 같이 제1탄성수단(300a), 제2탄성수단(300b), 제3탄성수단(300c)이 배열된 상태에서, 도 5b에 도시된 바와 같이, 제1터치핀(200a)이 제1탄성수단(300a)의 제1고정홀(302a)에 고정적으로 관통됨과 동시에 제2탄성수단(300b)의 제2슬롯(306b) 및 제3탄성수단(300c)의 제3슬롯(306c)에 유동적으로 관통되어, 도 5c와 같이 구성될 수 있다. 이때, 제2터치핀(200b)은 제2탄성수단(300b)의 제2고정홀(302b)에 고정적으로 관통됨과 동시에 제1탄성수단(300a)의 제1슬롯(306a) 및 제3탄성수단(300c)의 제3슬롯(306c)에 유동적으로 관통되고, 제3터치핀(200c)은 제3탄성수단(300c)의 제3고정홀(302c)에 고정적으로 관통됨과 동시에 제1탄성수단(300a)의 제1슬롯(306a) 및 제2탄성수단(300b)의 제2슬롯(306b)에 유동적으로 관통된다. That is, in a state in which the first
상술한 바와 같이, 탄성수단(300)은 하우징(100)의 상부판(110)과 솔레노이드(300)의 사이에 장착되어, 도 6에 도시된 바와 같이, 다양한 형태의 탄성수단(300)을 조합하여 구성됨에 따라 후술하는 리니어 액츄에이션 수단(400)의 작동에 의해 터치핀(200)이 하우징의 상부판으로부터 돌출 시 터치핀의 운동력을 증폭시키는 수단으로 활용된다. As described above, the
다음으로, 리니어 액츄에이션 수단(400)에 대하여 설명하도록 한다. Next, the linear actuation means 400 will be described.
리니어 액츄에이션 수단(400)은, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 터치핀(200)이 제1위치(P1)와 제2위치(P2) 사이에서 운동되게 하는 구성요소로서, 도 7에 도시된 바와 같이, 탄성수단(300)의 표면에 구비된다. 상세하게는, 탄성수단(300)의 탄성변형부(308)의 표면을 따라 구비된다. The linear actuation means 400 is a component that causes the
상술한 리니어 액츄에이션 수단(400)은 전류 인가 시 부피가 줄어드는 물질 또는 전류 인가 시 휘는 물질로 구성되는 것이 바람직하며, 예컨대, 형상기억합금(SMA, shape memory alloy)이나 전기작동 폴리머(EAP, electro active polymer), 또는 피에조 물질(piezo material)로 구성할 수 있다. Preferably, the linear actuation means 400 is made of a material which decreases in volume when a current is applied or a material that bends when a current is applied. For example, the shape memory alloy (SMA) or an electrically operated polymer (EAP, electro) active polymer, or piezo material.
형상기억합금은 저온에서 변형한 다음 가열에 의해서 원상태로 복원되는데, 다시 냉각될 때에는 형상의 변화가 없다. 이러한 현상을 일방향 형상기억효과 (one-way shape memory effect)라 한다. The shape memory alloy is deformed at low temperature and then restored to its original state by heating, but when cooled again, there is no change in shape. This phenomenon is called a one-way shape memory effect.
한편, 고온에서의 형상과 저온에서의 형상을 모두 기억하여 형상이 바뀌는 현상은 이방향 형상기억효과(two-way shape memory effect) 또는 가역 형상기억효과 (reversible shape memory effect)라고 한다. On the other hand, the phenomenon of changing the shape by storing both the shape at high temperature and the shape at low temperature is called a two-way shape memory effect or a reversible shape memory effect.
이와 같은 형상기업합금이 변형된 상태에서 전류를 인가하면 열이 발생되고, 이에 따라 형상기억합금이 가열되어 원상태로 복원될 수 있다. When current is applied in a state in which the shape enterprise alloy is deformed, heat is generated, and thus the shape memory alloy may be heated and restored to its original state.
전기작동 폴리머는 넓은 범위의 물리적, 전기적 특성을 잘 나타내도록 제조되고 처리되는 폴리머의 일종으로서, 전류를 인가하여 활성화되면, 일반적으로 왜 곡이라고 불리는 상당한 이동 또는 변형을 이룰 수 있다. 이러한 변형은, 재료의 길이, 폭, 두께, 반지름 방향 등에 따라 다르게 할 수 있으며, 10%에서 최대 50%까지의 변형도 가능한 것으로 알려져 있다. Electrically operated polymers are a type of polymer that is manufactured and processed to exhibit a wide range of physical and electrical properties, and when activated by the application of a current, they can achieve significant movement or deformation, commonly called distortion. Such deformation may vary depending on the length, width, thickness, radius, etc. of the material, and it is known that deformations of 10% up to 50% are possible.
이 탄력적인 왜곡의 크기는 3% 이내의 변형률을 갖는 피에조(piezo)와 비교하여 볼 때 매우 특이한 것이며, 적절한 전기 시스템에 따라서 완전한 제어가 가능하다는 점에서 매우 큰 장점이 있다. The magnitude of this elastic distortion is very unusual compared to piezo having a strain of less than 3%, and has a great advantage in that complete control is possible according to an appropriate electrical system.
상기 전기작동 폴리머는 작고, 제어가 용이하고, 저전력이며, 고속 응답 속도를 지니고, 또한 그 잠재적인 비용 또한 그리 높지 않다. 현재 전기작동 폴리머는 인공 근육 분야에서 채택되어 그 연구가 활발히 진행되고 있다. The electrically operated polymers are small, easy to control, low power, have a high response speed, and their potential cost is not so high. Currently, electrically operated polymers have been adopted in the field of artificial muscle, and the research is being actively conducted.
상기 전기작동 폴리머는, 외부로부터 물리적 변형이 가해지면, 이에 대응되는 전기 신호를 출력하기 때문에, 센서로도 사용될 수 있다. 대부분의 전기작동 폴리머에 이용되는 재료는 전기적으로 측정한 전위차를 발생하므로, 힘, 위치, 속도, 가속도, 압력 등의 센서로서 사용하는 것이 가능하다. 대부분의 전기작동 폴리머는 이와 같이 양방향 성질을 나타내기 때문에, 센서 또는 액츄에이터로 모두 사용이 가능하다. The electro-operated polymer may be used as a sensor because it outputs an electrical signal corresponding thereto when physical deformation is applied from the outside. Since the material used for most of the electrically operated polymers generates an electrically measured potential difference, it can be used as a sensor such as force, position, speed, acceleration, pressure, and the like. Since most electrically operated polymers exhibit this bi-directional nature, they can be used either as sensors or actuators.
피에조 물질은 전류를 가하면 인장 또는 수축하는 물질을 의미한다. Piezo material means a material that stretches or shrinks when an electric current is applied.
상술한 바와 같이, 전류의 인가에 따라 가열되어 그 형상이 복원되는 형상기억합금이나 전류의 인가에 따라 활성화되어 변형되는 전기작동 폴리머 또는 피에조 물질과 같이 전류 인가 시 부피가 줄어드는 물질 또는 전류 인가 시 휘는 물질로 구성된 리니어 액츄에이션 수단(400)은, 탄성수단(300)의 탄성변형부(308) 표면에 구비되되, 전류 미인가 시 터치핀(200)의 영구자석(210)이 하우징(100)의 하부판(130)에 근접 또는 부착됨에 따라 탄성수단(300)과 함께 변형되고, 전류 인가 시 터치핀(200)의 선단(202)이 하우징(100)의 상부판(110)으로부터 돌출되도록 터치핀(200)의 영구자석(210)이 하우징(100)의 하부판(130)으로부터 멀어지게 탄성수단과 함께 복원된다. As described above, the material is reduced in volume when the current is applied, such as a shape memory alloy that is heated upon application of an electric current or an electrically operated polymer or piezo material that is activated and deformed when the current is applied. The linear actuation means 400 made of a material is provided on the surface of the
즉, 도 3a의 상태에서 리니어 액츄에이션 수단(400)의 양극부(402)와 음극부(404)를 통해 전류를 인가하면, 전류에 의해 발생되는 열 또는 전류에 의한 활성화를 통해, 도 3b의 상태와 같이, 하우징(100)의 상부판(110)으로부터 터치핀(200)이 돌출되도록 형상이 복원되는 것이다. That is, when the current is applied through the
상세하게는, 리니어 액츄에이션 수단(400)이 원래의 형태로 복원되려는 복원력과, 탄성수단(300)의 탄성변형부(308)는 탄성 에너지에 의한 복원력이 동시에 작용하여 터치핀이 돌출되도록 한다. In detail, the restoring force of the linear actuation means 400 to be restored to its original form, and the
여기서, 도 2 내지 도 6에 도시된 탄성수단(300)의 탄성변형부(308)의 표면에 리니어 액츄에이션 수단(400)가 도시되지 않고 생략되어 있지만, 모든 탄성수단(300)의 탄성변형부(308)의 표면에는, 도 7과 같이, 탄성변형부(308)의 표면에 리니어 액츄에이션 수단(400)이 구비되어 있다. Here, although the linear actuation means 400 is not shown and omitted on the surface of the
마지막으로, 본 실시예의 촉감장치의 작동에 대하여 설명하도록 한다. Finally, the operation of the haptic device of this embodiment will be described.
하우징(100)의 외부에 구비된 커넥터(122)를 통해 리니어 액츄에이션 수단(400)에 전류가 인가되던 전류가 차단되면, 터치핀(200)들의 후단(204)에 구비된 영구자석(210)이 하우징(100)의 하부판(130)에 부착됨에 따라 하우징(100)의 상부판(110)의 관통홀(112)을 통하여 하우징(100)의 내측으로 터치핀(200)이 몰입하게 된다.When the current applied to the linear actuation means 400 is blocked through the
이때, 터치핀(200)의 상단이 제2위치(P2)에서 제1위치(P1)로 위치되어 하우징(100)의 내측으로 몰입됨에 따라 각 터치핀(200)과 고정적으로 관통된 탄성수단(300)들이 도 3a와 같이 탄성변형되어 탄성 에너지를 보유한다. 또한, 리니어 액츄에이션 수단(400)은 탄성수단(300)의 탄성변형과 함께 변형된다. At this time, the upper end of the
하우징(100)의 외부에 구비된 커넥터(122)를 통해 솔레노이드(300)에 전류가 인가되면, 리니어 액츄에이션 수단(400)에는 원래의 형태로 복원되려는 복원력이 발생하게 된다. When a current is applied to the
이때, 리니어 액츄에이션 수단(400)이 원래의 형태로 복원되려는 복원력은 터치핀(200)의 후단(204)에 구비된 영구자석(210)과 하우징(100)의 하부판(130) 간의 부착력보다 크게 작용하게 된다. At this time, the restoring force to restore the linear actuation means 400 to its original form is greater than the adhesion between the
따라서, 리니어 액츄에이션 수단(400)이 원래의 형태로 복원되려는 복원력에 의하여 터치핀(200)의 상단이 제1위치(P1)에서 제2위치(P2)로 위치되어 하우징(100)의 상부판(110)으로부터 돌출하게 된다.Therefore, the upper end of the
이때, 터치핀(200)의 직선운동과 연동되어 탄성수단(300)의 탄성변형부(308)는 탄성 에너지에 의하여 복원되면서 터치핀(200)의 운동력을 증폭시킨다. At this time, in conjunction with the linear motion of the
이와 같이, 리니어 액츄에이션 수단(400)의 복원력과 탄성수단(300)의 탄성 에너지에 의하여 터치핀(200)의 운동력이 증폭되므로, 솔레노이드(300)의 저전력 구동이 가능하다. As such, since the kinetic force of the
또한, 리니어 액츄에이션 수단(400)의 저전력 구동에 의해서도 터치핀(200)의 고출력이 가능하므로, 본 발명의 촉감장치를 간편하게 소형화할 수 있다.In addition, since the high power of the
터치핀(200)의 선단(202)이 제2위치(P2)에 도달되면, 터치핀(200)의 선단(202)은 하우징(100)의 상부판(110)의 관통홀(112)을 통하여 돌출되어 사용자의 피부(10)에 접촉되며, 이에 따라 사용자는 터치핀(200)에 의한 피부(10)의 자극으로부터 촉감을 느낄 수 있다. When the
리니어 액츄에이션 수단(400)과 탄성수단(300)의 연동에 의해서는 터치핀(200)의 운동력에 대한 분해능을 높여 터치핀(200)의 제어성을 향상시킬 수 있고, 하우징(100)의 외부에 구비된 커넥터(122)를 통해 인가되는 전류의 주기와 세기를 제어하여 사용자에게 실감 있는 촉감을 느끼게 할 수 있다. By interlocking the linear actuation means 400 and the
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concepts of the present invention defined in the following claims are also provided. It belongs to the scope of rights.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 박형 촉감장치의 구성을 나타내는 사시도.1 is a perspective view showing the configuration of a thin tactile device according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 박형 촉감장치의 구성을 나타내는 분해사시도.Figure 2 is an exploded perspective view showing the configuration of a thin tactile device according to an embodiment of the present invention.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 촉감장치에서 터치핀의 작동을 나타내는 구성도. 3a and 3b is a block diagram showing the operation of the touch pin in the haptic device according to an embodiment of the present invention.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 일실시예에 따른 촉감장치에서 탄성수단의 구성을 부분적으로 나타내는 평면도. Figures 4a to 4f is a plan view partially showing the configuration of the elastic means in the haptic device according to an embodiment of the present invention.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일실시예에 따른 촉감장치에서 터치핀과 탄성수단이 조립된 상태를 나타내는 사시도. 5a to 5c are perspective views showing a state in which the touch pin and the elastic means are assembled in the tactile device according to an embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 탄성수단의 적층을 예시적으로 도시한 사시도. Figure 6 is a perspective view showing an example of the stacking of the elastic means according to an embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 탄성수단의 표면에 리니어 액츄에이션 수단이 구비된 상태를 나타내는 사시도. 7 is a perspective view showing a state in which the linear actuation means is provided on the surface of the elastic means according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100:하우징 110:상부판100: housing 110: upper plate
112:관통홀 130:하부판112: through hole 130: bottom plate
200:터치핀 202:선단200: Touch pin 202: Tip
204:후단 210:영구자석204: Rear 210: Permanent magnet
300:탄성수단 302:고정홀300: elastic means 302: fixed hole
304:유동홀 306:슬롯304: flow hole 306: slot
308:탄성변형부 310:메인스페이서308: elastic deformation part 310: main facer
320:리니어모션 가이드 322:가이드홀320: linear motion guide 322: guide hole
400:리니어 액츄에이션 수단400: linear actuation means
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