KR20100063006A - 마찰력의 동적 변화를 지닌 저항성 작동기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기 코일 및 코어를 포함하는 회전 노브 상에 햅틱 효과를 발생시키는 시스템에 관한 것이다. 제1 마찰 계수를 가지는 제1 표면 인터페이스를 작동시키고, 전압을 변화시킴으로써 제1 햅틱 효과를 발생시키기 위하여, 제1 레벨의 전압이 코일에 가해진다. 제1 마찰 계수보다 큰 제2 마찰 계수를 가지는 제2 표면 인터페이스를 작동시키고, 전압을 변화시킴으로써 제2 햅틱 효과를 발생시키기 위하여, 제2 레벨의 전압이 코일에 가해진다.

Description

마찰력의 동적 변화를 지닌 저항성 작동기{RESISTIVE ACTUATOR WITH DYNAMIC VARIATIONS OF FRICTIONAL FORCES}
본 발명의 일 실시예는 햅틱 피드백(haptic feedback)에 관한 것이다. 더욱 자세하게는, 본 발명의 일 실시예는 햅틱 피드백을 가지는 회전 노브(knob)에 관한 것이다.
전자 장치 제조업자들은 사용자를 위한 리치 인터페이스(rich interface)를 생산하는데 매진한다. 전형적인 장치는 사용자에게 피드백을 제공하기 위하여 시청각 신호(visual and auditory cue)를 사용한다. 몇몇 인터페이스 장치에서, [능동성(active) 및 저항성 힘 피드백과 같은] 운동성(kinesthetic) 피드백 및/또는 (진동, 질감 및 열과 같은) 촉각적 피드백도 사용자에게 제공되며, 이는 더 일반적으로 "햅틱 피드백" 또는 "햅틱 효과"라고 통틀어 부른다. 햅틱 피드백은 사용자 인터페이스를 보강하고 단순화하는 계기를 제공한다.
햅틱 피드백은 유연한 사용자 인터페이스를 형성하기 위해 회전 노브 및 기계적 스위치 및 인코더(encoder)와 같은 다른 형태의 전자기계 장치 상에서 구현된다. 멈춤(detent), 차단(barrier) 및 진동을 포함하는 매우 다양한, 이용가능한 햅틱 효과는 사용자에게 유용성, 설계 및 비용에 장점을 제공한다.
일반적으로, 햅틱 피드백은 모터 기반(motor-based) 작동기 시스템 또는 제동 기반(braking-based) 작동기 시스템을 구비하는 회전 노브 상에서 발생된다. 모터 기반 작동기 시스템은 사용자의 움직임에 반대하거나 보강하는 힘을 가한다. 그러나, 모터는 항상 시스템에 에너지를 추가하므로, 시스템이 불안정하게 될 수 있다. 또한, 모터 기반 작동기 시스템은 요구되는 크기의 토크(torque)를 발생시키기 위하여 비교적 크고 값비싼 모터를 필요로 한다.
반대로, 제동 기반 작동기 시스템은 마찰을 통해 에너지를 분산시키고 사용자의 움직임에 저항하는 제동 작동기를 사용한다. 제동 기반 작동기 시스템은 모터 기반 작동기 시스템보다 대체로 작고 저렴하며, 시스템 외부로 에너지를 내보내기 때문에 불안정해지지 않는다.
제동 작동기 시스템을 구비하는 공지된 회전 노브의 한 문제점은 두 금속 강성 장치들 사이에 자기(magnetic) 공기 갭(gap)이 유지되어야 한다는 것이다. 이러한 공기 갭은 통상적으로 엄격한 공차 내로 유지되어야 하므로 장치의 제조를 비싸고 어렵게 만든다. 또한, 제동 작동기를 구비한 공지된 회전 노브는 통상적으로 일 레벨의 마찰 제동만을 포함한다. 그러나, 몇몇 양호한 햅틱 피드백은 다중 레벨의 마찰력을 포함하는 경우 더욱 효과적이다.
전술한 바를 토대로 할 때, 개선된 마찰 제동 작동기 시스템에 대한 필요성이 존재한다.
일 실시예는 회전 노브 상에서 햅틱 효과를 발생시키는 시스템이다. 시스템은 전기 코일 및 코어를 포함한다. 제1 마찰 계수를 가지는 제1 표면 인터페이스를 작동시키고, 전압을 변화시킴으로써 제1 햅틱 효과를 발생시키기 위하여, 제1 레벨의 전압이 코일에 가해진다. 제1 마찰 계수보다 큰 제2 마찰 계수를 가지는 제2 표면 인터페이스를 작동시키고, 전압을 변화시킴으로써 제2 햅틱 효과를 발생시키기 위하여, 제2 레벨의 전압이 코일에 가해진다.
도 1은 일 실시예에 따른 회전 노브의 사시도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 회전 노브의 절단 사시도이다.
도 3은 햅틱 효과를 발생시킬 때, 일 실시예에 따른 제어기의 기능의 공정 계통도이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 회전 노브의 절단 사시도이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 회전 노브의 절단 사시도이다.
일 실시예는 표면 인터페이스를 변화시킴으로써 마찰력의 동적 변화를 포함하는 저항성 작동기를 구비하는 회전 노브이다.
도 1은 일 실시예에 따른 회전 노브(10)의 사시도이다. 회전 노브(10)는 기부(14), 회전 샤프트(12) 및 햅틱 제어기(16)를 포함한다. 회전 샤프트(12)는 노브 또는 사용자에 의해 회전될 수 있는 다른 장치에 결합될 수 있다. 제어기(16)는 프로세서 및 프로세서에 의해 실행되는 지시를 저장하는 메모리를 포함할 수 있다. 회전 샤프트(12)가 사용자에 의해 회전될 때 적용되는 햅틱 효과를 제어기(16)가 발생시킨다. 제어기(16)는 도 1에 도시된 바와 같이, 기부(14)에 대해 외부 또는 기부(14)에 대해 내부에 위치될 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 회전 노브(10)의 절단 사시도이다. 노브(10)는 회전 원형 디스크(disk; 26) 또는 임의의 다른 형태의 회전 요소에 결합되는 샤프트(12)를 포함한다. 일 실시예에서, 원형 디스크(26)는 니켈도금 강철(nickel-plated steel) 또는 자력(magnetic force)에 견인될 수 있는 임의의 재료로 형성된다. 디스크(26) 및 샤프트(12)는 샤프트(12)가 사용자에 의해 회전될 때 축(A)을 중심으로 회전한다.
샤프트(12) 둘레에는 자기 코어(24) 및 전자기 코일(20)이 있다. 전자기 코일(20)은 전기원(미도시)에 결합되고, 전기가 가해질 때, 자기 코어(24)가 공지된 방식으로 자기력을 발생시키게 한다. 일 실시예에서, 전자기 코일(20)은 구리 코일로부터 형성되며, 코어(24)는 구리 보빈(bobbin)으로부터 형성된다. 그러나, 코일(20) 및 코어(24)는 전기가 가해질 때 자기력이 발생되게 하는 임의의 다른 재료로부터 형성될 수 있다.
와셔(washer; 32) 또는 다른 형태의 분리 요소는 와셔(32)의 내부 주연 링을 따라 일 부분(33)에서 디스크(26)에 결합된다. 와셔(32)의 나머지 부분은 디스크(26)의 하부면 주위에 형성된 홈(34)을 가로질러 연장한다. 와셔(32)는 외부 주연이 홈(34) 내에서 전후방으로 구부러지는 것과 같은, 캔틸레버(cantilever) 효과를 통해 스프링과 같은 기능을 할 수 있도록 가요성이 있다. 일 실시예에서, 와셔(32)는 청동으로 형성되지만, 수용가능한 레벨의 마찰 및 가요성을 제공하는 임의의 다른 재료로 형성될 수 있다.
마찰 링(18) 또는 다른 형태의 마찰 요소는 코어(24)에 결합된다. 마찰 링(18)은 표면 인터페이스(42, "제1 표면 인터페이스")에서 와셔(32)에 접촉하며, 마찰을 통해 샤프트(12)의 회전 상에 제동 효과를 제공한다. 제1 레벨의 전기가 코일(20)에 가해질 때, 마찰 링(18)과 접촉하고 있는 와셔(32) 상의 수직력은 디스크(26)가 코어(24)에 자기 견인됨에 따라 증가된다. 링(18)과 와셔(32)의 접촉에 의해 형성된 마찰의 양은, 비교적 작은 마찰 계수를 제공하며, 제1 레벨의 전기가 가해질 때 작용/제어된다. 일 실시예에서, 마찰 링(18)은 열가소성 폴리머, 아세탈(acetal) 수지 또는 양호한 마찰력 및 마모 특성을 제공하는 임의의 다른 재료로부터 형성된다.
마찰 링(18)과 와셔(32)의 접촉 영역에서 마찰을 제공하는 것에 더하여, 비굴곡 상태의 와셔(32)는 디스크(26)와 코어(24) 사이에 자기 회로 공기 갭(40)을 더 제공한다.
제1 레벨의 전기보다 큰 제2 레벨의 전기가 코어(20)에 가해질 때, 코어(24)와 디스크(26) 사이의 자기 인력은 더 증가된다. 이는 와셔(32)가 홈(34) 내로 구부러지게 하며, 궁극적으로 갭(40)을 폐쇄시켜 디스크(26)가 코어(24)("제2 접촉 인터페이스")에 접촉하게 한다. 일 실시예에서 둘 다 모두 금속 표면인 디스크(26) 및 코어(24)의 인터페이스에서의 마찰 계수는 마찰 링(18)과 와셔(32)의 인터페이스에서의 마찰 계수보다 상당히 크다.
작동시, 제1 또는 제2 레벨의 마찰을 이용하고 마찰 크기가 각각의 레벨 내에서 변화할 수 있도록 전압 레벨을 변화시킴으로써 햅틱 효과가 발생될 수 있다. 예컨대, 멈춤과 같은 햅틱 효과는, 갭(40)을 유지시키면서 마찰 링(18)과 와셔(32)의 제1 표면 인터페이스를 통해 발생될 수 있다. 갭(40)으로 인해, 코어(24)에 가해지는 전압의 큰 변화는 멈춤 효과에 이상적인, 토크의 작은 변화를 생성한다. 갭(40)을 유지하는 범위 내에서 전압 레벨을 변화시킴으로써 복잡한 햅틱 효과가 발생될 수 있다.
코어(24)에 가해지는 전압의 크기가 크게 증가할 때, 갭(40)은 폐쇄되고 디스크(26)는 코어(24)에 접촉하게 되어, 상당히 증가된 제2 레벨의 마찰이 발생한다. 이러한 큰 크기의 마찰은 차단 효과와 같은 "고(hard)" 저항성 햅틱 효과를 형성하는데 유용하다. 또한, 이러한 제2 표면 인터페이스의 큰 마찰 계수는 작은 자기력으로 큰 토크를 허용하여 유리하다. 전압 크기가 작아지거나 제거될 때, 와셔(32)의 스프링 효과는 디스크(26)와 코어(24)가 분리되게 하며 갭(40)이 다시 형성되게 한다. 또한, 제2 표면 인터페이스가 작동되는 기간 동안, 제1 표면 인터페이스도 작동될 수 있다[즉, 디스크(26)와 코어(24)가 결합되고 마찰 링(18)과 와셔(32)가 결합된다]. 그러나, 제2 표면 인터페이스가 제1 표면 인터페이스보다 매우 큰 마찰 계수를 가지기 때문에, 제2 표면 인터페이스가 마찰 크기를 대체로 결정한다.
일 실시예에서, 제어기(16)는 어떤 햅틱 효과가 작용되는지, 그리고 이러한 효과가 높은 레벨 인자에 기초하여 작용되는 순서를 결정한다. 대체로, 특정 햅틱 효과를 형성하는 높은 레벨 인자는 크기, 주파수 및 지속시간을 포함한다. 특정 햅틱 효과는 제1 표면 인터페이스, 제2 표면 인터페이스 또는 두 인터페이스의 임의의 조합에 의해 발생되는 마찰을 수반할 수 있다. 도 3은 햅틱 효과를 발생시킬 때 일 실시예에 따른 제어기(12)의 기능의 공정 계통도이다. 도 3의 기능은 하드웨어 또는 소프트웨어, 또는 하드웨어나 소프트웨어의 임의의 조합에 의해 실행될 수 있다.
102에서, 햅틱 효과를 발생시키는데 필요한 마찰의 레벨이 결정된다. 필요한 레벨은 전형적으로 특정 햅틱 효과에 기초한다. 예컨대, 차단 효과는 비교적 높은 레벨의 마찰을 필요로 하는 반면, 멈춤 효과는 비교적 낮은 레벨의 마찰을 필요로 한다.
비교적 낮은 레벨의 마찰이 필요한 경우, 이후 106에서, 공기 갭(40)을 유지시키면서 제1 표면 인터페이스[즉, 와셔(34) 및 작동 링(18)]를 작동시키기 위한 전압 크기가 코일(20)에 가해진다. 비교적 높은 레벨의 마찰이 필요한 경우, 이후 108에서, 제2 표면 인터페이스[즉, 디스크(26) 및 코어(24)]를 작동시키고 공기 갭(40)을 폐쇄하도록 하는 전압 크기가 코일(20)에 가해진다. 제2 표면 인터페이스가 작동되는 동안, 제1 표면 인터페이스도 작동될 수 있다.
도 4는 다른 실시예에 따른 회전 노브(50)의 절단 사시도이다. 회전 노브(50)에서, 디스크(56)는 홈을 포함하지 않는다. 대신에, 마찰 링(18)이 와셔(32)에 접촉하여 제1 표면 인터페이스를 형성하는 측면의 반대쪽 측면 상에서, 스프링(52)이 마찰 링(18)에 결합된다. 일 실시예에서, 스프링(52)은 청동 와셔이다. 또한, 스프링(52)은 코일(20)에 결합되어 캔틸레버 스프링 효과를 발생시킨다. 코일(20)에 가해지는 전압이 충분한 레벨을 초과할 때, 스프링(52)은 코어(24)의 표면(54)을 향해 구부러져 갭(40)을 폐쇄시킨다. 디스크(56) 및 코어(24)의 인터페이스는 제2 표면 인터페이스이다. 그렇지 않은 경우, 회전 노브(50)는 노브(10)와 같이 유사 방식으로 작동한다.
도 5는 다른 실시예에 따른 회전 노브(70)의 절단 사시도이다. 도 5의 실시예에서, 마찰 요소(76)는 캔틸레버식 배치된 스프링 연장부(75)에 의해 코일(74)에 결합된다. 마찰 요소(76)는 제1 레벨의 전압이 코일(74)에 가해질 때 와셔(32)와 접촉하게 됨으로써, 제1 표면 인터페이스를 작동시킨다. 코일(74)에 가해진 전압이 충분 레벨을 초과할 때, 마찰 요소(76)는 코어(24)를 향해 구부러져 갭(40)을 폐쇄시킨다. 디스크(56) 및 코어(24)의 인터페이스는 제2 표면 인터페이스이다. 그렇지 않은 경우, 회전 노브(70)는 노브(10)와 같이 유사 방식으로 작동한다.
개시한 바와 같이, 실시예들은 2개의 매우 다른 마찰 계수를 형성하는 적어도 2개의 표면 인터페이스의 사용을 통해 다양하고 더 효과적인 햅틱 효과를 허용한다.
몇몇 실시예가 본 명세서에서 구체적으로 도시 및/또는 설명된다. 그러나, 상기 교시에 의해, 그리고 본 발명의 정신 및 의도된 범위로부터 벗어나지 않고, 첨부된 청구범위 내에서 본 발명의 변형 및 변경이 이루질 수 있음을 알 수 있다.
예컨대, 회전 노브가 개시되었지만, 본 발명은 예컨대, 조이스틱(joystick), 회전 스크롤 휠(scroll wheel) 또는 슬라이더(slider)를 포함하는, 저항성 햅틱 효과를 구현하는 특정 장치에서 사용될 수 있다.

Claims (24)

  1. 전기 코일과,
    전기 코일에 결합된 코어와,
    코일 상에 제1 레벨의 전압이 가해질 때 작동되는, 제1 마찰 계수를 가진 제1 표면 인터페이스와,
    코일 상에 제2 레벨의 전압이 가해질 때 작동되는, 제2 마찰 계수를 가진 제2 표면 인터페이스를 포함하는
    저항성 햅틱 작동기.
  2. 제1항에 있어서, 마찰 요소와,
    마찰 요소에 결합되는 스프링을 더 포함하는
    저항성 햅틱 작동기.
  3. 제2항에 있어서, 제1 표면 인터페이스는 마찰 요소와 표면을 포함하는
    저항성 햅틱 작동기.
  4. 제3항에 있어서, 저항성 햅틱 작동기는 샤프트와, 샤프트에 결합되는 회전 요소를 더 포함하고, 제2 표면 인터페이스는 코어에 접촉하는 회전 요소를 포함하는
    저항성 햅틱 작동기.
  5. 제4항에 있어서, 코일에 가해지는 전압의 부재시, 회전 요소와 코어 사이에 갭을 형성하는, 회전 요소와 코어 사이에 결합되는 분리 요소를 더 포함하는
    저항성 햅틱 작동기.
  6. 제5항에 있어서, 분리 요소는 표면인
    저항성 햅틱 작동기.
  7. 제5항에 있어서, 분리 요소는 스프링인
    저항성 햅틱 작동기.
  8. 제1항에 있어서, 햅틱 효과를 구현하기 위하여 제1 레벨의 전압 및 제2 레벨의 전압을 제어하는 햅틱 제어기를 더 포함하는
    저항성 햅틱 작동기.
  9. 제2항에 있어서, 마찰 요소는 코일에 결합되는
    저항성 햅틱 작동기.
  10. 제1 표면 인터페이스를 작동시키고 제1 햅틱 효과를 발생시키기 위하여 제1 레벨의 전압을 가하는 단계와,
    제2 표면 인터페이스를 작동시키고 제2 햅틱 효과를 발생시키기 위하여 제2 레벨의 전압을 가하는 단계를 포함하는
    햅틱 효과를 발생시키는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 제1 표면 인터페이스는 제1 마찰 계수를 형성하고, 제2 표면 인터페이스는 제2 마찰 계수를 형성하는
    햅틱 효과를 발생시키는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 제1 표면 인터페이스는 표면에 대해 접촉하는 마찰 요소를 포함하는
    햅틱 효과를 발생시키는 방법.
  13. 제11항에 있어서, 제2 표면 인터페이스는 샤프트에 결합된 회전 요소에 대해 접촉하는 코어를 포함하는
    햅틱 효과를 발생시키는 방법.
  14. 제12항에 있어서, 마찰 요소는 스프링에 결합되는
    햅틱 효과를 발생시키는 방법.
  15. 제11항에 있어서, 제1 햅틱 효과 및 제2 햅틱 효과는 회전 샤프트 상에서 발생되는
    햅틱 효과를 발생시키는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 샤프트는 회전 요소에 결합되고 자기 코일 및 코어에 의해 둘러싸인
    햅틱 효과를 발생시키는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 제1 레벨의 전압을 가하는 동안, 회전 요소와 코어 사이에 공기 갭을 유지시키는 단계를 더 포함하는
    햅틱 효과를 발생시키는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 제2 레벨의 전압을 가하는 동안, 공기 갭을 제거하는 단계를 더 포함하는
    햅틱 효과를 발생시키는 방법.
  19. 제1 표면 인터페이스를 작동시키고 제1 햅틱 효과를 발생시키기 위하여 제1 레벨의 전압을 가하는 수단과,
    제2 표면 인터페이스를 작동시키고 제2 햅틱 효과를 발생시키기 위하여 제2 레벨의 전압을 가하는 수단을 포함하는
    햅틱 효과를 발생시키기 위한 시스템.
  20. 내부에 저장되는 명령을 가지는 컴퓨터 판독 매체이며,
    프로세서에 의해 실행될 때, 제1 표면 인터페이스를 작동시키고 제1 햅틱 효과를 발생시키기 위하여 제1 레벨의 전압을 가하고,
    제2 표면 인터페이스를 작동시키고 제2 햅틱 효과를 발생시키기 위하여 제2 레벨의 전압을 가함으로써,
    프로세서가 햅틱 효과를 발생시키도록 하는
    컴퓨터 판독 매체.
  21. 제1항에 있어서, 제2 마찰 계수는 제1 마찰 계수보다 큰
    저항성 햅틱 작동기.
  22. 제11항에 있어서, 제2 마찰 계수는 제1 마찰 계수보다 큰
    햅틱 효과를 발생시키는 방법.
  23. 제1 표면 인터페이스를 구현하고 공기 갭을 유지하도록 제1 전압 크기를 가하는 단계와,
    제2 표면 인터페이스를 구현하고 공기 갭을 폐쇄하도록 제2 전압 크기를 가하는 단계를 포함하는,
    햅틱 효과를 발생시키는 방법.
  24. 제23항에 있어서, 제1 크기 전압은 제2 크기 전압보다 작은
    햅틱 효과를 발생시키는 방법.
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