KR20100083248A - 강성구현장치, 그 제어방법 및 이를 이용한 햅틱피드백 제공장치 - Google Patents

강성구현장치, 그 제어방법 및 이를 이용한 햅틱피드백 제공장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자기유변유체를 이용한 강성제공장치와 제어방법 및 이를 이용한 햅틱피드백 제공장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자기장발생수단과 내부 케이스 사이에 압축저항력, 전단력 및 유동저항력을 유발함으로써 외력에 대한 저항력인 강성을 제공하는 것을 특징으로 하는 강성제공장치와 제어방법 및 이를 이용한 햅틱피드백 제공장치에 관한 것이다. 이를 위해, 내부에 자기유변유체를 포함하는 케이스; 케이스의 상부에 구비되어 외력이 작용하는 상부판; 케이스의 내부에 구비되어 자기유변유체에 자기장을 인가하는 자기장인가수단; 자기장인가수단의 외측면을 덮는 형상으로 상부판과 연결되어 상하이동하는 내부이동부; 및 내부이동부의 이동에 의하여 유출되는 자기유변유체를 수용하는 수용수단;을 포함하여, 자기장의 세기에 기초한 외력에 대한 저항으로 강성을 구현하는 것을 특징으로 하는 강성구현장치, 그 제어방법 및 이를 이용한 햅틱피드백 제공장치를 제공한다.
자기유변유체, 강성, 전단력, 유동저항력, 압축저항력, 댐퍼, 햅틱

Description

강성구현장치, 그 제어방법 및 이를 이용한 햅틱피드백 제공장치{Stiffness generation apparatus, control method and haptic feedback providing apparatus using thereof}
본 발명은 자기유변유체를 이용한 강성제공장치와 제어방법 및 이를 이용한 햅틱피드백 제공장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자기장발생수단과 내부 케이스 사이에 압축저항력, 전단력 및 유동저항력을 유발함으로써 외력에 대한 저항력인 강성을 제공하는 것을 특징으로 하는 강성제공장치와 제어방법 및 이를 이용한 햅틱피드백 제공장치에 관한 것이다.
자기유변유체(Magneto-Rheological Fluid, MRF)는 자기장의 세기에 따라 점성이 변하는 유체이다. 즉, 자기유변유체는 자기장이 없을 때는 낮은 점성상태이다가 자기장에 인가되었을 때 딱딱하게 굳은 것과 같은 높은 점성상태로 변하게 된다. 자기유변유체는 인가된 자기장의 영향하에서 입자들이 자기장 방향으로 사슬모양의 구조로 배열하기 때문에 점도가 급격히 증가한다. 자기유변유체는 높은 인장성과 낮은 점성, 강성, 안정성 및 넓은 온도 편차 등의 장점을 갖는다.
이러한 자기유변유체를 이용한 산업분야의 일예로 자동차용 댐퍼가 있다. 도 1은 자동차용 댐퍼의 단면도를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 자동차용 댐퍼는 시트장착용인 아이볼트(10), 피스톤밸브(40), 로드 가이드(20), 하우징(50) 등으로 구성된다. 피스톤 밸브(40)에는 코일이 권취되어 있어, 자기유변유체(30)가 통과하면서 자기장에 노출된다. 피스톤밸브(40)는 도 1에 도시된 바와 같이 왕복운동하며, 로드 가이드(20)는 이러한 피스톤밸브(40)의 왕복운동을 저지한다.
하우징(50)과 피스톤밸브(40) 사이에서 자기유변유체(30)에 자기장이 인가되면, 자기유변유체(30)가 체인을 형성하면서 점성이 증가된다. 이때, 피스톤밸브(40)가 자기유변유체(30)의 체인과 수직방향으로 이동하면서 유동저항력이 발생된다. 충분한 댐핑을 위하여 도 1에 도시된 바와 같이, 피스톤 밸브(40)에는 권취된 코일이 다수개 구비되어 있다.
이러한 자동차용 댐퍼는 자기유변유체의 점성변화를 충분히 유도하기 위하여 크기가 큰 단점이 있어서, 자동차, 산업장비 등에 사용될 뿐, 소형화가 어려운 문제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점으로부터 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 소형화된 자기장인가수단으로도 자기유변유체에 충분한 자기장을 인가할 수 있는 자기유변유체를 이용한 강성제공장치, 그 제어방법 및 이를 이용한 햅틱피드백 제공장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 유동저항력뿐만 아니라 전단력과 압축저항력까지 유발하는 자기유변유체를 이용한 강성제공장치, 그 제어방법 및 이를 이용한 햅틱피드백 제공장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 목적은, 외력의 세기를 측정하여 그에 따른 강성을 다양하게 구현함으로써, 자동차용 댐퍼, 각종 모바일기기와 게임기기, 운영체계 등의 다양한 산업분야에서 활용가능한 자기유변유체를 이용한 강성제공장치, 그 제어방법 및 이를 이용한 햅틱피드백 제공장치를 제공하는데 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 내부에 자기유변유체를 포함하는 케이스;
케이스의 상부에 구비되어 외력이 작용하는 상부판;
케이스의 내부에 구비되어 자기유변유체에 자기장을 인가하는 자기장인가수단;
자기장인가수단의 외측면을 덮는 형상으로 상부판과 연결되어 상하이동하는 내부이동부; 및
내부이동부의 이동에 의하여 유출되는 자기유변유체를 수용하는 수용수단;을 포함하여,
자기장의 세기에 기초한 외력에 대한 저항으로 강성을 구현하는 것을 특징으로 하는 강성구현장치에 의하여 달성가능하다.
그리고, 상부판과 상기 내부이동부는 탄성체에 의하여 연결될 수 있다.
또한, 상부판은 나선형의 판상스프링이고, 상부판과 내부이동부는 스페이서에 의하여 연결될 수 있다.
이 경우, 상부판의 상부에는 유연한 재질의 방지층이 더 포함될 수 있다.
그리고, 자기장인가수단은, 상부면 또는 하부면중 적어도 어느 하나의 면이 자기장인가수단으로 확장된 확장면을 갖는 보빈;과 보빈에 권취된 코일;을 포함한다.
이 경우, 상기 보빈은 강자성체로 제작할 수 있다.
또한, 내부이동부의 내측면에는 곡률을 갖는 돌기가 하나 이상 포함되어 있을 수 있다.
그리고, 내부이동부의 내측면에는 자기유변유체가 드나들 수 있는 하나 이상의 미세홀이 형성될 수 있다.
또한, 내부이동부의 상부면에는 자기유변유체가 유입되는 체크밸브가 형성되어 있을 수 있다.
그리고, 케이스는 하부가 개방된 형상이고, 수용수단은 케이스의 하부면에 구비될 수 있다.
또한, 내부이동부의 직경은 자기장인가수단의 직경보다 크다.
그리고, 내부이동부는 강자성체로 제작될 수 있다.
그리고, 수용수단은 탄력성있는 얇은 막으로 형성할 수 있다.
또한, 수용수단의 일면에는 수용수단의 늘어남을 수용할 수 있는 수용영역이 형성된 지지판;이 더 포함될 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 강성구현장치가 복수개 구비되고, 복수개의 강성구현장치의 상부에는 유연한 터치패드 또는 유연한 터치스크린이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 햅틱피드백 제공장치에 의하여 달성가능하다.
이 경우, 강성제공장치의 자기장인가수단으로 인가되는 전기를 제어하는 제어수단;이 더 포함될 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 또 다른 카테고리로서, 상부판에 외력이 작용하여, 상부판과 내부이동부가 하부로 눌리는 단계;
자기장인가수단에 전기가 인가되어 자기장이 발생되는 단계;
발생된 자기장에 의하여 자기유변유체의 점성이 증가하는 단계;
자기유변유체의 점성증가에 따라 내부이동부의 이동이 억제됨으로써 외력에 대한 저항이 발생하는 단계; 및
내부이동부의 이동에 의하여 내부이동부에서 유출된 자기유변유체가 수용수단에 수용되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 강성구현장치의 제어방법이 있다.
그리고, 자기장발생단계는, 힘센서로부터 외력의 세기를 검출하는 단계; 및 힘센서의 검출신호에 기초하여 자기장의 세기를 제어하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 저항발생단계에서 저항은, 내부이동부의 내측면과 자기장인가수단의 외측면의 공간을 이동하는 자기유변유체의 유동저항력이 포함되고, 그리고, 내부이동부의 상부내면과 자기장인가수단의 상부면 사이의 압축저항력과 내부이동부의 내측면과 자기장인가수단읜 측면 사이의 전단력중 적어도 어느 하나가 더 포함될 수 있다.
그리고, 내부이동부가 본래의 위치로 복원되는 단계; 및 수용수단에 수용된 자기유변유체가 케이스로 복원되는 단계;가 더 포함될 수 있다.
따라서, 상기와 같은 본 발명의 일실시예에 의하면, 적은 전력으로도 최소량의 자기유변유체의 점성변화를 유도하여 다양한 저항력을 구현함으로써, 충분한 강성을 제공할 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 소형화가 가능하다.
그리고, 자기장인가수단을 고정시키고, 상대적으로 가벼운 내부이동부를 상하이동시키므로 전력의 소모를 최소함과 동시에 빠른 복원을 기대할 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 강성제공장치는 소형의 댐퍼 또는 다양한 햅틱을 제공하는 장치 등 다양한 산업분야에 활용가능하다.
<강성구현장치>
이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 일실시예에 따른 자기유변유 체를 이용한 강성구현장치의 구성에 대하여 설명한다. 먼저, 도 2는 본 발명에 따른 강성구현장치의 구성단면도이고, 도 3은 자기장인가수단(300)의 단면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 강성구현장치는 개략적으로, 케이스(400), 상부판(100), 자기장인가수단(300), 내부이동부(200), 수용수단(600) 등을 포함한다.
케이스(400)는 강성구현장치의 몸체를 이루는 부재로서, 내부에 자기유변유체(500)를 포함한다. 케이스(400)는 상부와 하부가 개방되고, 내부가 비워져 있는 형상이다. 이러한 케이스(400)는 스테인리스 스틸 등의 금속재로 구성할 수 있다. 케이스(400)의 일예로, 24mm ×24mm × 7mm의 크기로 제작할 수 있다.
자기장인가수단(300)은 케이스(400)의 내부에 구비되어 있으며, 자기유변유체(500)에 자기장을 인가한다. 자기장인가수단(300)은 도 3에 도시된 바와 같이, 보빈(310)과 보빈(310)에 N(양의 정수)회 권취된 코일(320)을 포함한다. 보빈(310)은 보빈(310)의 상부면과 하부면 모두, 확장면(S)을 갖는 것이 더 좋다. 확장면(S)은 자기장인가수단(300)의 측면을 따라 형성되며, 자기장인가수단(300)의 측면의 일부를 덮는 형상이다. 확장면(S)을 형성함으로써, 이하에서 설명할 내부이동부(200)의 내측면과 마주보는 면적을 증가시킬 수 있다. 자기장인가수단(300)의 일예로, 14.6mm × 14.6mm × 4mm 의 크기로 제작할 수 있으며, 이때 확장면은 자기장인가수단(300)의 측면을 약 1.3mm정도 덮도록 구성할 수 있다. 보빈(310)은 자기장인가수단(300)의 자력이 증폭되도록 강자성체로 제작함이 좋다.
확장면(S)은 확장면(S)의 끝단에서 발생되는 자력의 세기가 더 커지는 효과 가 있다. 이러한 확장면의 형성은 저전력으로 자기유변유체(500)의 점성을 증가시키는데 매우 효과적이다.
도 4a는 본 발명에 따른 보빈(310)에 확장면(S)이 형성된 상태의 자기장선을 나타낸 상태도이고, 도 4b는 본 발명에 따른 실시예로서 확장면(S)이 없는 경우의 자기장선을 나타낸 상태도이며, 도 5는 확장면(S)이 구비된 경우와 구비되지 않은 경우에 자기장인가수단(300)에서 발생하는 자기장의 세기를 나타낸 그래프이다. 도 4a와 도 4b는 자기장인가수단(300)이 원통형인 경우로서, 중심축을 기준으로 대칭이므로 설명의 편의를 위하여 중심축의 오른쪽만을 나타내었다. 그리고, 도 5의 그래프는 보빈(310)의 상부면을 기준점(0점)으로 하여 확장면(S)의 길이에 따른 자기장의 세기를 나타내었다.
도 5의 그래프를 살펴보면, 확장면(S)이 형성되지 않은 경우(가)에 비하여 확장면(S)이 형성된 경우(나)에 확장면의 끝단에서의 자기장의 세기가 약 2배 이상 증가됨을 확인할 수 있다. 그러므로, 보빈(310)의 상부면과 하부면에 각각 확장면을 형성함이 더 좋다.
상부판(100)은 케이스(400)의 상부에 구비된다. 상부판(100)에는 상부판(100)과 수직인 방향의 외력이 작용한다. 상부판(100)의 모서리는 케이스(400)에 고정결합될 수 있다. 상부판(100)에 작용하는 외력에 따라 상부판(100)의 중심은 아래로 눌려진다. 이러한 상부판(100)은 소정의 변위만큼 변형가능한 딱딱한 얇은 판으로 구성할 수 있으며, 나선형의 홈이 형성된 판상스프링으로 구성가능하다. 상부판(100)의 상부에는 유연한 재질의 방지층(110)이 더 포함됨이 좋다. 특히, 나선 형의 홈이 형성된 판상스프링의 경우, 홈을 통한 자기유변유체(500)의 유출을 방지할 수 있다. 이러한 방지층(110)은 얇은 고분자 폴리머, 실리콘 등으로 제작가능하다.
내부이동부(200)는 상부판(100)과 연결되어 외력의 작용에 따라 상하이동한다. 상부판(100)이 딱딱한 얇은 판으로 구성된 경우 내부이동부(200)는 탄성체(150')에 의하여 상부판(100)과 연결됨이 바람직하다. 반면, 상부판(100)이 나선형의 홈이 형성된 판상스프링인 경우라면 스페이서(150)에 의하여 상부판(100)과 연결됨이 좋다. 외력의 작용에 의하여 하부로 이동한 내부이동부(200)가 탄성체(150') 또는 판상스프링인 상부판(100)의 복원력에 의하여 본래의 위치로 쉽게 복원할 수 있도록 하기 위함이다. 내부이동부(200)은 자기장인가수단(300)에서 발생되는 자력이 증폭되도록 강자성체로 제작함이 좋다.
즉, 내부이동부(200)는 외력이 작용하면 하부로 눌려졌다가, 외력이 해제되면 다시 본래의 위치로 복원된다. 빠른 복원을 위하여 내부이동부(200)는 가벼운 재질로 구성함이 좋다. 내부이동부(200)의 일예로서, 플라스틱재나 경량의 금속재 등을 사용할 수 있다.
내부이동부(200)는 도 2에 도시된 바와 같이, 하부가 개방된 원통형의 형상으로 자기장인가수단(300)의 상부에 위치한다. 즉, 내부이동부(200)는 자기장인가수단(300)의 상부면과 측면을 덮는 형상이다. 내부이동부(200)의 직경은 자기장인가수단(300)의 직경보다 약간 크게 형성되어, 자기장인가수단(300)의 상부에서 자유롭게 상하이동할 수 있다. 내부이동부(200)는 일예로 15.6mm ×15.6mm ×6.5mm의 크기로로 제작할 수 있다.
내부이동부(200)가 하부로 이동하면, 내부이동부(200)와 자기장인가수단(300) 사이에 구비된 자기유변유체(500)는 내부이동부(200)의 측면과 자기장인가수단(300)의 측면의 공간을 지나 내부이동부(200)의 외부로 유출된다. 유출된 자기유변유체(500)는 수용수단(600)으로 수용된다.
상부판(100)에 작용하던 외력이 해소되면 내부이동부(200)는 상부판(100) 또는 상부판(100)과 연결된 탄성체(150')의 복원력에 의하여 다시 상부로 이동한다. 자기유변유체(500)는 자기장 비인가시에도 어느 정도의 점성을 갖기 때문에 자기장인가수단(300)의 상부면과 내부이동부(200)의 상부내면이 자기유변유체(500)에 의하여 밀착되는 효과가 있다. 이는 내부이동부(200)가 본래의 위치로 복원되는데 장애가 된다. 따라서, 이를 제거하기 위하여 내부이동부(200)의 상부면을 도 6a 내지 도 8에 도시된 바와 같이 다양하게 구성할 수 있다.
그 일예로, 도 6a와 도 6b에 도시된 바와 같이 하나 이상의 돌기(210)를 형성할 수 있다. 각 돌기(210)는 소정의 곡률을 갖는 형상으로서, 돌기(210)를 하나만 형성하는 경우에는 그 직경을 크게 하여 도 6a와 같이 형성함이 좋다. 그리고, 돌기(210)를 복수개 형성하는 경우에는 도 6b에 도시된 바와 같이 그 직경을 작게함이 바람직하다.
또 다른 실시예로, 도 7에 도시된 바와 같이 내부이동부(200)의 상부면에 하나 이상의 미세홀(220)을 형성할 수 있다. 판상스프링인 상부판(100) 또는 탄성체(150')의 복원력에 의하여 상부로 이동하는 내부이동부(200)의 상부내측면은 상 대적으로 저압인 상태이다. 그러므로, 자기유변유체(500)가 미세홀(220)을 통하여 다시 유입된다. 이로써 내부이동부(200)의 내측면과 자기장인가수단(300)의 상부면 사이의 밀착력을 해소할 수 있다.
또 다른 실시예로, 도 8에 도시된 바와 같이, 내부이동부(200)의 상부면에 체크밸브(230)를 형성할 수 있다. 체크밸브(230)는 내부이동부(200)가 상부로 이동할 때 열린다. 내부이동부(200)가 하부로 이동할 때에는 체크밸브(230)가 열리지 않다가 내부이동부(200)가 본래의 위치로 복원되면 열린다. 내부이동부(200)의 외부로 유출된 자기유변유체(500)는 열린 체크밸브(230)를 통해 내부이동부(200)로 다시 유입된다.
수용수단(600)은, 앞서 언급된 바와 같이, 내부이동부(200)가 하부로 이동함에 따라 유출되는 자기유변유체(500)를 수용하는 것으로서, 케이스(400)의 하부에 위치할 수 있다. 수용수단(600)은 풍선과 같이 늘어났다가 다시 평면으로 복원가능한 것으로서 탄력성있는 얇은 막을 사용한다. 그 일예로 얇고 질긴 폴리머 또는 고무, MEMS공정에 따라 제작된 실리콘 막 등으로 제작할 수 있다.
지지판(700)은 수용수단(600)인 얇은 막의 하부에 구비된다. 지지판(700)에는 얇은 막이 늘어날 수 있는 공간을 제공하는 수용영역(750)이 다수개 형성되어 있다. 다수개의 수용영역(750)이 형성된 지지판(700)을 구비함으로써, 자기유변유체(500)에 의한 얇은 막의 늘어남을 골고루 분산시켜 안정적으로 강성을 구현할 수 있다. 수용영역(750)은 관통홀을 형성하거나 오목한 홈을 형성하여 구현가능하다. 수용영역(750)의 크기는 수용수단(600)의 늘어남을 충분히 수용할 수 있는 크기라 면 그 크기나 형상에 구애받지 않는다. 수용영역(750)은 일예로, 5mm ×5mm의 크기로 제작할 수 있다.
이러한 구성을 갖는 강성구현장치는 소형 댐퍼로 사용할 수 있으며, 소형화되어 있으므로 다양한 햅틱피드백을 제공하는 장치로도 사용가능하다. 이하에서는 햅틱피드백 제공장치로서 활용되는 경우를 설명한다.
<햅틱피드백 제공장치>
이하에서는, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 강성구현장치를 이용하여 사용자에게 다양한 촉각적 감각을 제공하는 햅틱피드백 제공장치로 이용되는 경우를 설명한다. 도 9는 본 발명에 따른 햅틱피드백 제공장치의 사시도이고, 도 10은 햅틱피드백 제공장치가 노트북(5)에 활용되는 경우의 사시도이며, 도 11은 햅틱피드백 제공장치가 휴대폰(6) 등의 모바일기기에 활용된 경우의 사시도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 햅틱피드백 제공장치는 복수개 구비된 강성구현장치(1000)와 제어수단(미도시) 등을 포함한다. 강성구현장치는 앞서 설명한 바와 동일한바 앞선 기재로 갈음하고, 이하에서는 다른 구성을 중심으로 설명한다.
본 발명에 따른 햅틱피드백 제공장치가 도 10에 도시된 바와 같이 노트북(5) 등에 사용되는 경우, 상부에는 유연한 터치패널(1300)이 구비될 수 있다. 기존에 사용되던 노트북(5)의 터치패드의 기능에 더하여 다양한 촉감까지 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 햅틱피드백 제공장치가 네비게이션, 휴대폰(6) 등 모바일기기에 사용되는 경우에는 도 11에 도시된 바와 같이 유연한 디스플레이(1200) 가 상부에 더 구비될 수 있다. 유연한 디스플레이(1200)로는 전자잉크, OLED 등으로 제작할 수 있다.
제어수단은 강성구현장치의 자기장인가수단(300)으로 인가되는 전기를 제어한다. 제어수단의 전기제어는 전기의 세기(전류의 세기 또는 전압의 세기), 인가되는 시간, 주기 등에 관한 것이다. 또한, 제어수단이 복수개 구비되는 강성구현장치중 어느 강성구현장치의 자기장인가수단(300)으로 전기를 인가할 것인지 선택할 수 있다. 그리고 이렇게 선택된 강성구현장치가 2개 이상이라면 각각의 강성구현장치의 전기제어는 독립적으로 이루어질 수 있다.
<제어방법>
이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 강성구현장치의 제어방법에 대하여 설명한다. 도 12는 본 발명에 따른 강성구현장치의 제어방법에 따른 흐름도이고, 도 13a와 도 13b는 자기장인가수단(300)에서 자기장이 발생되지 않은 경우로서 외력이 작용하기 전후의 상태이며, 도 14는 자기장인가수단(300)에서 자기유변유체(500)로 자기장이 인가된 경우의 단면도이다. 이하에서는 설명의 편의를 도모하기 위하여 강성구현장치의 다양한 실시예들 중, 상부판(100)이 나선형의 홈이 형성된 판상스프링으로 스페이서(150)에 의하여 내부이동부(200)와 연결되고, 내부이동부(200)의 상부면에 체크밸브(230)가 형성된 경우로 설명한다.
도 13b에 도시된 바와 같이, 강성구현장치의 상부판(100)에 상부판(100)과 수직인 방향의 외력이 작용하면 상부판(100)이 하부로 눌리고, 상부판(100)과 연결된 내부이동부(200)도 하부로 눌리게 된다. 이 때, 자기장인가수단(300)으로 전기 가 인가되지 않으면 자기유변유체(500)의 점성에는 변화가 없다. 따라서, 외력이 작용하면 강성구현장치의 상부판(100)은 쉽게 눌린다. 상부판(100)이 눌리면서 하부로 이동하는 내부이동부(200)에 의하여, 내부이동부(200)와 자기장인가수단(300) 사이에 위치한 자기유변유체(500)는 내부이동부(200)의 외부로 유출된다. 즉, 도 13b에 도시된 바와 같이, 케이스(400) 내부에 포함된 비압축성 유체인 자기유변유체(500)가 눌리게 되므로 눌린만큼의 부피에 해당하는 자기유변유체(500)가 수용수단(600)에 저장된다.
그 후, 상부판(100)에 작용하던 외력이 해제되면, 상부판(100)이 본래의 위치로 복원되고 내부이동부(200)도 본래의 위치, 즉 상부로 이동한다. 이때 내부이동부(200)의 상부이동은 판상스프링인 상부판(100)자체의 복원력 또는 탄성체(150')의 복원력에 기초한다. 내부이동부(200)는 가벼운 재질로 구성된바 탄성체(150')의 복원력에 의하여도 쉽게 상부이동이 가능하다. 내부이동부(200)가 상부로 이동하면 내부이동부(200)의 상부내면의 영역은 상대적으로 저압의 상태가 된다. 따라서 체크밸브가 열리고 수용수단(600)에 저장되어있던 자기유변유체(500)가 내부이동부(200)의 안쪽으로 흘러들어간다.
이하에서는, 자기장인가수단(300)으로 전기가 인가됨으로써, 강성을 제공하는 경우에 대하여 설명한다. 자기장인가수단(300)에 전기가 인가되면 자기장인가수단(300)은 자기유변유체(500)로 자기장을 인가한다. 자기장은 앞서 설명한 바와 같이, 보빈(310)의 상부면과 하부면에 형성된 확장면(S)의 끝단에서 강하게 형성된다. 따라서, 내부이동부(200) 안쪽의 자기유변유체(500)의 점성도가 다소 증가하지 만, 특히 확장면(S)의 끝단에서 자기유변유체(500)의 점성이 크게 증가한다.
자기유변유체(500)의 점성이 증가함에 따라, 외력에 의하여 하부로 눌리던 상부판(100)과 내부이동부(200)는 저항을 받게 된다. 내부이동부(200)가 받는 저항은 압축저항력, 전단력과 유동저항력에 기초한다. 도 14를 참고하여 자세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 내부이동부(200)의 상부내면과 자기장인가수단(300)의 상부면 사이에는 압축저항력(f2)이 발생된다. 내부이동부(200)가 하부로 눌리면서 내부이동부(200)의 상부내면 안쪽에 위치한 자기유변유체(500)는 압축력을 받는다. 비압축성물질인 자기유변유체(500)에는 압축력에 대한 저항이 생긴다. 따라서, 내부이동부(200)의 상부내면과 자기장인가수단(300)의 상부면 사이에는 자기유변유체(500)의 압축저항에 의하여 내부이동부(200)의 이동이 저지된다.
내부이동부(200)의 내측면과 보빈(310)의 확장면 사이에는 전단력이 유발된다. 상부판(100)에 외력이 작용하므로 내부이동부(200)는 아래로 내려가려는 성질을 갖는 반면, 보빈(310)의 확장면은 상대적으로 위쪽으로 이동하려는 성질을 갖게 된다. 또한, 자기유변유체(500)에 자기장이 인가되므로 내부이동부(200)의 내측면과 보빈(310)의 확장면 사이에는 자기유변유체(500)가 사슬형태로 결합하게 된다. 도 14에 확대 도시된 바와 같이, 점성이 증가된 자기유변유체(500)에 의하여 내부이동부(200)의 내측면과 보빈(310)의 확장면 사이의 전단력(F전)이 증가한다. 이와 같이 증가된 전단력(F전)은 내부이동부(200)의 하부이동을 저지하는 요인이 된다.
내부이동부(200)의 측면과 자기장인가수단(300)의 측면에서는 자기유변유체(500)의 유동저항력(f1)이 유발된다. 자기장이 인가됨에 따라 내부이동부의 측면과 자기장인가수단(300)의 측면에 위치한 자기유변유체(500)의 점성이 증가된다. 또한, 내부이동부의 측면과 자기장인가수단(300)의 측면 사이에 위치한 자기유변유체(500)의 점성은 내부이동부의 상부내면과 자기장인가수단(300)의 상부면 사이에 구비된 자기유변유체(500)의 점성에 비하여 상대적으로 높다. 따라서, 내부이동부(200)가 가압되면서 하부로 이동하면, 내부이동부(200)의 상부내면과 자기장인가수단(300)의 상부면 사이에 위치한 자기유변유체(500)는 내부이동부(200)의 측면을 타고 외부로 유출된다. 그러나, 내부이동부(200)의 측면과 자기장인가수단(300)의 측면사이에 위치하는 자기유변유체(500)의 점성이 외부로 유출되려는 자기유변유체(500)의 흐름을 방해한다. 이와 같은 유동저항력은 내부이동부(200)의 하부이동을 저지하는 요인이 된다.
상기와 같이 자기유변유체(500)의 점성증가에 기초한 압축저항력(f2), 전단력(F전)과 유동저항력(f1)에 의하여 내부이동부(200)의 하부이동이 억제되어 강성이 구현된다. 즉, 유동저항력(f1)과 전단력(F전), 유동저항력(f1)과 압축저항력(f2)의 조합이 가능하며, 유동저항과 전단력 및 압축저항의 세가지 저항이 모두 구현가능함은 물론이다.
내부이동부(200)의 압축된 부피만큼 이동한 자기유변유체(500)는 수용수단(600)에 수용된다. 즉, 얇은 막의 수용수단(600)이 늘어나 지지판(700)에 형성된 수용영역(750)의 공간을 차지한다.
그리고, 자기유변유체(500)로 인가되는 자기장은, 별도의 힘센서(미도시)를 구비하여 상부판(100)에 작용하는 외력의 세기를 검출하고, 검출된 세기에 기초함이 바람직하다. 즉, 외력의 세기가 크다면 그에 대응하는 강한 강성을 구현하기 위하여 자기장인가수단(300)에 인가되는 전기를 세게할 수 있다. 외력의 세기에 비례하도록 자기장의 세기를 제어하면 강성구현장치가 댐퍼로서 활용될 때, 효율적인 댐핑모션을 구현할 수 있다. 또한, 강성구현장치가 햅틱피드백 제공장치로 이용되는 경우에도 사용자가 손가락 등을 이용하여 작용한 외력에 대응하는 피드백, 즉 강성을 제공할 수 있어 사용자의 촉감을 만족시킬 수 있다.
상부판(100)에 작용하던 외력이 해제되면, 가압되던 상부판(100)과 내부이동부(200)는 본래의 위치로 복원된다. 즉, 상부로 움직인다. 이때 상부판(100)이 판상스프링인 경우에는 상부판(100) 자체 복원력의 도움을 받고, 탄성체(150')에 의하여 상부판(100)과 내부이동부(200)가 연결된 상태라면 탄성체(150')의 복원력의 도움을 받는다.
내부이동부(200)가 본래의 위치로 복원되면서, 내부이동부(200) 안쪽은 상대적으로 저압의 상태가 된다. 자기유변유체(500)는 저압인 내부이동부(200)의 안쪽으로 흘러 들어가면서 수용수단(600)인 얇은 막도 평평한 상태로 복원된다.
<변형예>
도 15는 본 발명에 따른 강성구현장치의 상부판(100)에 가볍고 딱딱한 재질의 누름판(1400)이 형성된 경우를 나타낸 사시도이다. 본 발명에 따른 강성구현장 치는 앞서 언급한 바와 같이 댐퍼나 햅틱피드백 제공장치 이외에도, 누름판(1400)을 별도로 형성하여 버튼으로 활용가능하다. 짧은 시간의 펄스파 형태로 단시간에 강한 자기장을 발생시키면, 딸깍하고 눌리는 것과 같은 촉감을 주어 버튼으로 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 강성구현장치는 도 2의 원통형의 형상뿐만 아니라 다각형으로도 구성할 수 있음은 앞서 언급한 바와 같다. 다각형으로 구성하면 내부이동부(200)와 자기장인가수단(300)의 측면사이에 마주보는 면적이 증가되어 전단력이 좀 더 많은 위치에서 유발될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예로서, 내부이동부(200)의 상부면에 형성된 돌기(210), 미세홀(220)과 체크밸브(230) 등은 각각 구현할 수 있으나 이들을 다양한 경우의 수로 조합하여 구성할 수 있음은 물론이다.
또한 본 발명의 다른 실시예로, 도 16에 도시된 바와 같이, 수용수단(600)과 지지판(700)은 내부이동부(200)의 상부에 구비될 수도 있다.
비록 본 발명이 상기에서 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어 졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정이나 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변형이나 수정은 모두 첨부된 특허청구범위에 속함은 자명하다.
도 1은 종래에 자기유변유체를 이용한 댐퍼의 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 강성구현장치의 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 자기장발생수단의 단면도,
도 4a는 도 3에 따른 확장면을 갖는 자기장발생수단에서의 자기장선을 나타낸 상태도,
도 4b는 도 4a의 비교예로서, 확장면이 없는 자기장발생수단에서의 자기장선을 나타낸 상태도,
도 5는 도 4a와 도 4b에서, 보빈의 상부면에서부터 확장면으로 길이가 됨에 따른 자기장의 세기를 나타낸 그래프,
도 6a 및 도 6b는 내부이동부의 상부네면에 돌기가 형성된 상태도,
도 7은 내부이동부의 상부면에 다수개의 미세홀이 형성된 상태도,
도 8a는 내부이동부의 상부면에 체크밸브가 형성된 상태도,
도 8b는 도 8a의 체크밸브가 열린 경우의 상태도,
도 9는 본 발명에 따른 강성구현장치를 이용한 햅틱피드백 제공장치의 사시도,
도 10은 도 9의 햅틱피드백 제공장치가 노트북에 이용된 경우의 사시도,
도 11은 도 9의 햅틱피드백 제공장치가 휴대폰에 아용된 경우의 사시도,
도 12는 본 발명에 따른 강성구현장치의 제어방법에 따른 흐름도,
도 13a는 강성구현장치에 외력이 작용하기 전의 단면도,
도 13b는 도 13a의 상태에서 외력이 작용한 경우의 단면도,
도 14는 자기유변유체에 자기장이 인가된 경우로서, 내부이동부와 자기장인가수단 사이에 발생하는 다양한 저항력을 나타낸 단면도,
도 15는 본 발명에 따른 강성구현장치가 버튼으로 사용되는 경우의 사시도,
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예로서, 수용수단과 지지판이 내부이동부의 상부에 형성된 경우를 나타낸 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1: 손가락
5: 노트북
6: 휴대폰
10: 아이볼트
20: 로드 가이드
30, 500: 자기유변유체
40: 피스톤밸브
50: 하우징
100: 상부판
110: 방지층
150: 스페이서
150'; 탄성체
200: 내부이동부
210: 돌기
220: 미세홀
230: 체크밸브
300: 자기장인가수단
310: 보빈
320: 코일
400: 케이스
600, 600': 수용수단
700, 700': 지지판
750, 750': 수용영역
1000: 복수개의 강성구현장치
1200: 유연한 디스플레이
1300: 유연한 터치패널
1400: 누름판

Claims (20)

  1. 내부에 자기유변유체를 포함하는 케이스;
    상기 케이스의 상부에 구비되어 외력이 작용하는 상부판;
    상기 케이스의 내부에 구비되어 상기 자기유변유체에 자기장을 인가하는 자기장인가수단;
    상기 자기장인가수단의 외측면을 덮는 형상으로 상기 상부판과 연결되어 상하이동하는 내부이동부; 및
    상기 내부이동부의 이동에 의하여 유출되는 상기 자기유변유체를 수용하는 수용수단;을 포함하여,
    상기 자기장의 세기에 기초한 상기 외력에 대한 저항으로 강성을 구현하는 것을 특징으로 하는 강성구현장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부판과 상기 내부이동부는 탄성체에 의하여 연결된 것을 특징으로 하는 강성구현장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부판은 나선형의 판상스프링이고,
    상기 상부판과 상기 내부이동부는 스페이서에 의하여 연결된 것을 특징으로 하는 강성구현장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 상부판의 상부에는 유연한 재질의 방지층;이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 강성구현장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 자기장인가수단은,
    상부면 또는 하부면중 적어도 어느 하나의 면이 상기 자기장인가수단으로 확장된 확장면을 갖는 보빈;과 상기 보빈에 권취된 코일;을 포함하는 것을 특징으로 하는 강성구현장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 보빈은 강자성체인 것을 특징으로 하는 강성구현장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부이동부의 내측면에는 곡률을 갖는 돌기가 하나 이상 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 강성구현장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부이동부의 내측면에는 상기 자기유변유체가 드나들 수 있는 하나 이상의 미세홀이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 강성구현장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부이동부의 상부면에는 상기 자기유변유체가 유입되는 체크밸브가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 강성구현장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 케이스는 하부가 개방된 형상이고,
    상기 수용수단은 상기 케이스의 하부면에 구비되는 것을 특징으로 하는 강성구현장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부이동부의 직경은 상기 자기장인가수단의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 강성구현장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부이동부는 강자성체인 것을 특징으로 하는 강성구현장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 수용수단은 탄력성있는 얇은 막인 것을 특징으로 하는 강성구현장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 수용수단의 일면에는 상기 수용수단의 늘어남을 수용할 수 있는 수용영역이 형성된 지지판;이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 강성구현장치.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항중 어느 한 항에 따른 강성구현장치가 복수개 구비되고,
    상기 복수개의 강성구현장치의 상부에는 유연한 터치패드 또는 유연한 터치스크린이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 햅틱피드백 제공장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 강성제공장치의 자기장인가수단으로 인가되는 전기를 제어하는 제어수단;이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 햅틱피드백 제공장치.
  17. 상부판에 외력이 작용하여, 상기 상부판과 내부이동부가 하부로 눌리는 단계;
    자기장인가수단에 전기가 인가되어 자기장이 발생되는 단계;
    상기 발생된 자기장에 의하여 자기유변유체의 점성이 증가하는 단계;
    상기 자기유변유체의 점성증가에 따라 상기 내부이동부의 이동이 억제됨으로 써 상기 외력에 대한 저항이 발생하는 단계; 및
    상기 내부이동부의 이동에 의하여 상기 내부이동부에서 유출된 상기 자기유변유체가 수용수단에 수용되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 강성구현장치의 제어방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 자기장발생단계는,
    힘센서로부터 상기 외력의 세기를 검출하는 단계; 및
    상기 힘센서의 검출신호에 기초하여 자기장의 세기를 제어하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강성구현장치의 제어방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 저항발생단계에서 상기 저항은,
    상기 내부이동부의 내측면과 상기 자기장인가수단의 외측면의 공간을 이동하는 상기 자기유변유체의 유동저항력이 포함되고, 그리고,
    상기 내부이동부의 상부내면과 상기 자기장인가수단의 상부면 사이의 압축저항력과 상기 내부이동부의 내측면과 상기 자기장인가수단읜 측면 사이의 전단력중 적어도 어느 하나가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 강성구현장치의 제어방법.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 내부이동부가 본래의 위치로 복원되는 단계; 및
    상기 수용수단에 수용된 상기 자기유변유체가 상기 케이스로 복원되는 단계;가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 강성구현장치의 제어방법.
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